CNR, lazer teknolojileri kullanarak ışığı kuantum mekaniğinin ve aklın sınırlarını zorlayan yeni bir forma soktuğunu duyurdu.
Fizikte devrim niteliğinde bir başarıya imza atan araştırmacılar, ilk kez ışığı “sürekli akabilen bir katı” haline getirmeyi başardı. Bu yeni kuantum madde hali, bilim insanlarına olağan dışı fiziksel durumları daha iyi anlama fırsatı sunuyor.
İtalya Ulusal Araştırma Konseyi’nden (CNR) Dimitrios Trypogeorgos ve meslektaşlarının yürüttüğü çalışmanın sonuçları 5 Mart 2025’te Nature dergisinde yayınlandı.
CNR’den Danielle Sanvitto’nun on yıl önce gerçekleştirdiği çalışmalarda, ışığın sıvı gibi davranabileceği ortaya konmuştu. Ancak Trypogeorgos, Sanvitto ve ekibi bu kavramı daha ileri taşıyarak “süperkatı” (supersolid) adı verilen yeni bir kuantum hali oluşturdu.
Süperkatılar, hem katıların hem de süperakışkanların özelliklerini taşıyan olağanüstü bir madde hali olarak tanımlanıyor. Normalde katılar belirli bir kristal yapıya sahip ve atomları belirli konumlarda sabit. Öte yandan, sıvılar akışkan ve belirli bir şekilleri yok. Süperkatılar ise bu iki özelliği aynı anda sergileyerek, kristal yapılarını korurken sürtünmesiz akış sağlayabilirler.
Bu durum, kuantum mekaniğinin garip ve alışılmadık etkilerinden biri olarak kabul ediliyor. Süperkatılar ilk olarak 1950’lerde teorik olarak öngörülmüş, ancak varlıklarına dair kesin deneysel kanıtlar ancak son yıllarda elde edildi. Genellikle mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda, yani -273°C civarında soğutulmuş atomlar üzerinde yapılan deneylerde süperkatı fazı gözlemleniyor. Ancak bu yeni çalışmada bilim insanları, süperkatıyı tamamen farklı bir yöntemle, ışık kullanarak oluşturdu.
Peki bu nasıl oldu?
Geleneksel olarak, süperkatılar yalnızca soğutulmuş atomların elektromanyetik alanlarla etkileşime girdiği deneylerde oluşturulabiliyordu. Ancak bu yeni deneyde, bilim insanları alüminyum galyum arsenit (AlGaAs) adlı yarı iletken malzemeyi kullanarak farklı bir yöntem izledi.
Araştırmacılar, belirli bir desenle oluşturulmuş yarı iletken çip üzerine lazer ışığı yönlendirerek “polariton” adı verilen hibrit parçacıklar oluşturdu. Polariton, ışık ve madde arasındaki etkileşim sırasında ortaya çıkan kuaziparçacıklar olarak biliniyor. Bunlar, bir yarı iletkenin içindeki eksitonlar (elektron ve delik çiftleri) ile fotonların birleşmesi sonucunda ortaya çıkıyor. Yani polariton, hem ışığın dalga özelliğini hem de maddenin parçacık özelliğini aynı anda sergileyen özel kuantum varlıklar olarak tanımlanıyor. Bu özellikleri sayesinde kuantum mekaniği ve optoelektronik alanlarında öneme sahipler.
Bu kuaziparçacıklar, yarı iletkenin özel tasarımı sayesinde sınırlı bir hareket alanında kalıyor ve belirli enerji seviyelerine uyum sağlayarak süperkatı fazına geçiş yapıyor. Bu sayede, hem sıvı gibi akabilen hem de kristal yapıya sahip olan yeni bir kuantum durumu elde ediliyor.
Bu başarının kanıtlanabilmesi için araştırmacılar, yeni oluşan süperkatının hem katı hem de sıvı benzeri özellikler gösterdiğini kanıtlayacak bir dizi hassas ölçüm gerçekleştirdi. Polaritonların faz durumu incelenerek, madde içerisindeki dalga fonksiyonunun tutarlılığı ve kristal simetrisinin kırıldığı belirlendi.
Sorbonne Üniversitesi’nden Alberto Bramati, çalışmanın kuantum geçişlerinin anlaşılmasına önemli katkı sunduğunu belirtiyor. Ancak Bramati, bu yeni madde halinin tüm özelliklerinin ortaya çıkarılabilmesi için daha fazla deney ve analiz yapılması gerektiğini de vurguluyor.
Trypogeorgos ise ışık bazlı süperkatıların, atom bazlı benzerlerinden daha kolay manipüle edilebileceğini ve bu sayede beklenmedik yeni fiziksel durumların araştırılmasına olanak sağlayabileceğini söylüyor.
Süperkatılar, temel fizik araştırmalarının yanı sıra, gelecekte birçok alanda atılım yaratabilecek potansiyele sahip olarak görülüyor. Öncelikle, bu tür malzemelerin anlaşılıp kontrol edilmesi, kuantum bilgisayarlar ve süperiletkenler gibi yüksek teknoloji alanlarında yeni keşiflerin kapısını açabilir.
Özellikle ışık temelli süperkatılar, madde ile ışığın etkileşimini anlamada yeni bir perspektif sunarak, fotonik cihazların geliştirilmesine katkı sağlayabilir. Günümüzde kullanılan fiber optik iletişim sistemleri, lazer teknolojileri ve optoelektronik devreler, bu tür keşiflerle daha verimli hale gelebilir.
Ayrıca, süperkatılar atom altı parçacıkların davranışlarını anlamamıza yardımcı olabilir. Kuantum mekaniğinin temel ilkelerini test etmek ve yeni teoriler geliştirmek için bu tür deneyler büyük önem taşır. Süperkatılar, aynı zamanda uzay araştırmalarında ve aşırı düşük sıcaklıklarda çalışan sistemlerde kullanılabilecek özel malzemelerin geliştirilmesine de öncülük edebilir.
Bu yenilikçi deney, kuantum fiziğinde yeni bir dönemin kapısını aralıyor. Araştırmacılar, gelecekte bu madde halinin davranışını daha iyi anlamak ve yeni kuantum teknolojileri geliştirmek için çalışmalarını sürdüreceklerini belirtiyor.
Kaynak: Nature
