Yarım asrı aşkın çalışmanın ardından fizik tarihinde ilk kez, maddenin egzotik bir hali olan süperkatılarda kuantum girdaplarının varlığı gözlemle kanıtlandı.
(Dipolar Quantum Gases)
Nature dergisinde 6 Kasım 2024’te yayınlanan bir makaleye göre, fizikçiler 66 yıldır aranan maddenin egzotik bir halini gözlemlemeyi başardı. Innsbruck Üniversitesi’nden Francesca Ferlaino ve ekibi, hem katı hem de süperakışkan özellikler gösteren süperkatılarda kuantum girdaplarını gözlemledi. Nature dergisinde yayımlanan çalışma, temel fiziğin yanı sıra nötron yıldızlarından yüksek sıcaklık süperiletkenlerine kadar pek çok alanı ilgilendirebilecek nitelikte.
Süperakışkandan süperkatıya
Süperakışkanlar, 1937’de Rus ve Kanadalı fizikçiler tarafından helyumda (helyum-4) keşfedildi. Mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda sürtünmesiz akabilen (iç sürtünmesi 0) bu sıradışı madde hali, kuantum mekaniğinin makroskopik ölçekte kendini gösterdiği ilk örneklerden biri oldu.
1957’de Amerikalı fizikçi Eugene Gross, benzer kuantum davranışının katılarda da olabileceğini öne sürdü. “Süperkatı” adını verdiği bu madde hali, hem kristal yapıya sahip olacak hem de sürtünmesiz akabilecekti. Ancak bu paradoksal durumun deneysel kanıtı uzun süre bulunamadı. Süperkatılar için ilk ciddi deneysel girişim 2004’te Pennsylvania Üniversitesi’nde yapıldı ancak sonuçların daha sonra doğru olmadığı ortaya çıktı.
2019’da Stuttgart, Floransa ve Innsbruck’taki bilim insanları tek boyutlu sistemlerde süperkatılık sinyalleri buldular. Bu bağlamda tek boyutlu sistem, atomların yalnızca tek bir boyutta (örneğin sadece x ekseni boyunca) hareket edebildiği ve etkileşebildiği deneysel düzeneği ifade ediyor.
Araştırmacılar, ultra soğuk dipolar atomları özel tasarlanmış lazer alanları kullanarak hapsetmeyi başardılar. Dipolar atomlar, (disprozyum ve erbiyum gibi) doğal manyetik momente sahip atomlar olarak tanımlanır. Küçük mıknatıslar gibi davranırlar ve manyetik alan etkisiyle düzenli yapılar oluşturabilirler.
2019’daki bu deney, süperkatıların en basit formunu gösteriyordu. Ancak gerçek dünyada her şey üç boyutlu. Bu nedenle Innsbruck ekibi daha sonra sistemi iki boyuta genişletti ve 2023’te iki boyutlu sistemde kuantum girdaplarını gözlemlemeyi başardı.
İki boyutlu sistemde ise atomlar iki eksende (örneğin x ve y ekseni) hareket edebiliyor ve etkileşebiliyor. Bu, gerçek dünyaya daha yakın bir durum olmakla beraber, aynı zamanda daha karmaşık kuantum olaylarını (örneğin girdapları) gözlemlemeyi mümkün kılıyor.
Kuantum girdapları, süperakışkanlığın en kesin kanıtı olarak kabul ediliyor. Normal akışkanlardan farklı olarak, bu mikroskopik tornadolar sadece belirli enerji seviyelerinde oluşabiliyor. Sistemin dönme hızı arttıkça, kenarlardan daha fazla girdap oluşuyor. Trento Üniversitesi’nden Alessio Recati’nin 2022’de önerdiği yöntem, süperakışkanlarda girdapların görüntülenmesini mümkün kıldı. Ekip, saniyede 50 kez döndürdükleri manyetik alanla girdapları oluşturdu ve görüntüledi.
66 yıllık yolculuğun son noktası
Fizikteki simetri kavramı, Nobel ödüllü fizikçi Emmy Noether tarafından 1915’te matematiksel olarak formüle edildi. Öteleme simetrisi, bir sistemin uzayda yer değiştirdiğinde fiziksel özelliklerinin değişmemesi anlamına geliyor. Faz simetrisi ise kuantum sistemlerinde dalga fonksiyonunun matematiksel fazının değişmesine rağmen fiziksel özelliklerin aynı kalmasını ifade ediyor. Süperkatılar, bu iki simetriyi de kendiliğinden kırıyor: Kristal yapı oluşumu öteleme simetrisini, süperakışkan davranış ise faz simetrisini kırıyor.
Ferlaino ve ekibinin Nature’da yayımlanan çalışması, süperkatılardaki iki temel fiziksel simetrinin kırılmasını doğrudan gözlemleyerek, 1957’de süperkatıların ilk kez ortaya atılmasından beri süregelen bir bilimsel arayışa son noktayı koydu. Araştırmacılar, ultra soğuk dipolar atomlarda hem öteleme hem de faz simetrisinin aynı anda kırıldığını kanıtladı. Öteleme simetrisinin kırılması, atomların uzayda homojen dağılmak yerine düzenli aralıklarla kümelenerek kristal yapı oluşturmasıyla gerçekleşti.
Bu durum, uzayın her noktasının eşdeğer olma özelliğini ortadan kaldırdı. Öte yandan, tek parçacık dalga fonksiyonlarının faz kilitleme özelliği nedeniyle oluşan faz simetrisinin kırılması, süperakışkan davranışın ortaya çıkmasına yol açtı. Bu ikinci simetri kırılmasının en net kanıtı, ekibin gözlemlediği kuantum girdapları oldu.
Aynı sistemde her iki simetri kırılmasının da doğrudan gözlemlenmesi, süperkatıların benzersiz özelliklerinin temelini oluşturan fiziksel mekanizmayı açığa çıkardı. Bu çalışma, sadece teorik bir öngörüyü doğrulamakla kalmadı, aynı zamanda kuantum sistemlerindeki simetri kırılmalarını anlamamıza yeni bir boyut kazandırdı. Bu keşif, temel fizikten yüksek sıcaklık süperiletkenlerine ve nötron yıldızlarının iç yapısının anlaşılmasına kadar geniş bir etki alanına sahip.
Quanta Magazine’e “Fizik evrenseldir ve biz oyunun kurallarını öğreniyoruz” diyen Ferlaino, doğanın en temel seviyedeki davranışını anlamaya bir adım daha yaklaştıklarını vurguluyor. Bu keşif, kuantum teknolojilerinden astrofiziğe kadar pek çok alanda yeni kapılar açabilir.
Kaynak: Nature & Quanta Magazine
