Bilim insanları, 50 yıllık bir fizik teorisini doğrulayarak süperışınım faz geçişini ilk kez doğrudan gözlemledi.
“Süperışınım faz geçişi” (SRPT) olarak bilinen kuantum olayı ilk kez Amerika’da Rice Üniversitesi araştırmacıları tarafından doğrudan gözlemlendi. Bu olay, iki grup kuantum parçacığın hiçbir dış etki olmaksızın eş zamanlı ve uyumlu şekilde titreşmeye başlayıp, maddenin yepyeni bir hale dönüşmesiyle meydana geliyor.
4 Nisan 2025’te Science Advances dergisinde yayımlanan çalışmaya göre keşif, erbiyum, demir ve oksijenden oluşan özel bir kristal üzerinde yapılan deney sayesinde mümkün oldu. Kristal, eksi 457 Fahrenheit (yaklaşık eksi 272 santigrat) dereceye kadar soğutuldu ve Dünya’nın manyetik alanından 100 bin kat daha güçlü, 7 teslalık bir manyetik alana maruz bırakıldı.
SRPT’nin ilk olarak kuantum vakum dalgalanmaları (boş uzayda bile var olan kuantum ışık alanları) ile madde dalgalanmalarının etkileşimi sonucu ortaya çıktığı düşünülüyordu. Ancak yeni çalışmada bilim insanları, bu geçişi kristal içindeki demir ve erbiyum iyonlarının spin dalgalanmalarını birbirine bağlayarak yaptı.
Spin, elektronların veya diğer parçacıkların manyetik kutuplarını tanımlayan ve her parçacığa bağlı minik bir ok gibi düşünülebilecek bir özellik. Spinler hizalandığında, malzeme boyunca manyetik desenler oluşturur. Bu desenler dalga gibi yayıldığında ise ortaya çıkan kolektif uyarılmaya “magnon” denilir.
Magnonlar, bir kristal yapıdaki (crystal lattice) kristal elektronların spin yapısında meydana gelen kolektif bir uyarılma olup, bir quasiparticle yani yarı parçacık türü olarak kabul edilir. Magnonlar, sabit bir enerji ve kristal momentumu taşır; spinleri 1 olduğu için bozon gibi davranırlar.
50 yıllık tartışma
Süperışınım faz geçişi, birçok atomun ışıkla kolektif ve senkronize bir şekilde etkileşerek, bireysel atomlardan beklenenin çok ötesinde yoğun bir ışınım üretmesiyle tanımlanan sıra dışı bir kuantum olgu. Bu durum, atomlar ve elektromanyetik alan arasında o kadar güçlü bir etkileşim oluştuğunda meydana gelir ki, sistem düşük sıcaklıklarda kendiliğinden sürekli ışık salmaya başlar. Bu haliyle bir faz geçişini andırır; tıpkı bir maddenin katıdan sıvıya geçmesi gibi, sistemin ışımaya geçen kararlı bir hale dönüşmesi söz konusu.
Ancak 50 yıl önce teorik olarak doğrulanan süperışınım faz geçişinin gerçekleşip gerçekleşemeyeceği fizik dünyasında tartışma konusuydu. Çünkü no-go teoremiyle çelişiyordu. No-go teoremi, belirli bir durumun fizik açısından mümkün olmadığını belirterek, bazı matematik/fizik olasılıklarını sınırlıyor.
Rice Üniversitesi ekibi ise, manyetik kristal içinde iki ayrı spin alt sistemi arasındaki etkileşimle bu engeli aştı. Böylece bir nevi bu sınırın etrafından dolaşıldı ve olayın bir magnonik versiyonu oluşturuldu. Deneyde, demir iyonlarının oluşturduğu magnonlar, klasik senaryodaki vakum dalgalanmalarının; erbiyum iyonlarının spinleri ise madde dalgalanmalarının görevini üstlenerek süperışınım faz geçişi sağlandı.
Gelişmiş spektroskopi teknikleri sayesinde araştırmacılar SRPT’nin net işaretlerini gözlemledi; bir spin modunun enerji sinyali tamamen kaybolurken, diğeri belirgin bir kayma veya “kırılma” sergiliyordu. Bu spektral izler, kuramsal olarak süperışınım fazına geçildiğinde beklenen davranışlarla birebir örtüşüyor.
Bu keşif, kuantum bilgisayarlar, iletişim sistemleri ve hassas sensörler gibi alanlarda yeni uygulamaların önünü açabilir.
Kaynak: Science Advances
