Yeni bir madde fazı olarak keşfedilen zaman kuasikristalleri, kuantum bilgisayarlar ve hassas zaman ölçümü gibi alanlarda önemli gelişmelere yol açabilir.
Washington Üniversitesi’nden bir grup fizikçi, zaman kristallerinin ötesine geçerek “zaman kuasikristali” adı verilen tamamen yeni bir madde fazı keşfetti. Bu keşif, kuantum fiziğinde dengeden uzak sistemlerin anlaşılmasını genişletirken, hassas ölçümler ve kuantum hesaplama gibi alanlarda gelecekte kritik uygulamalara yol açabilir. Araştırma sonuçları, Physical Review X dergisinde yayınlandı.
Bilinen kristaller, belirli bir düzen içinde dizilmiş atomlardan oluşuyor. Örneğin, elmas gibi kristallerde karbon atomlarının düzenli ve tekrarlayan bir yapıya sahip olduğu biliniyor. Zaman kristalleri ise bu düzeni üç boyutlu uzayın yanı sıra zaman boyutuna da taşıyor. Yani, zaman kristalleri belirli periyotlarla düzenli olarak tireşiyor veya salınım yapıyor.
Klasik fizik kurallarına göre bir sistem, enerji kaybetmeden sürekli hareket edemez. Ancak zaman kristalleri, dışarıdan sürekli bir enerji girdisi olmadan bile belirli aralıklarla titreşmeye devam edebilir. Bu nedenle, zaman kristalleri “asla durmayan saatler” gibi düşünülebilir.
İlk zaman kristali, 2016 yılında Maryland Üniversitesi’nde laboratuvar ortamında, kuantum bilgisayarlar için kullanılan iyon tuzaklarıyla üretildi. Deneyde, manyetik alanda hapsedilmiş iterbiyum (Yb) atomları kullanıldı. Bu atomlar, lazer darbeleriyle belirli bir şekilde uyarıldı ve kuantum etkileşimleri sayesinde düzenli olarak ters dönen (spin flip yapan) bir yapı oluşturdu. Böylece bu iyonlar belirli aralıklarla kendi kendine titreşmeye devam etti. Bu, zaman kristallerinin temel özelliği olan zaman simetrisinin kırıldığını gösterdi ve yepyeni bir madde fazının varlığını kanıtladı. O zamandan beri bilim insanları, bu olağanüstü kuantum maddesinin nasıl çalıştığını daha iyi anlamak için araştırmalar yapıyor.
Kristal ve kuasikristali arasındaki fark
Washington Üniversitesi’ndeki ekip, zaman kristallerini bir adım daha ileri taşıyarak “zaman kuasikristali” adı verilen daha karmaşık bir yapıyı keşfetti. Kuasikristaller, normal kristallerden farklı olarak, düzensiz gibi görünen ancak aslında belirli bir kurala göre organize olan atom dizilimlerine sahip. Örneğin, mutfaklarda kullanılan bazı metal alaşımları kuasikristal yapıya sahip.
Zaman kuasikristalleri de benzer bir prensiple çalışıyor. Normal zaman kristalleri tek bir frekansta düzenli olarak titreşirken, zaman kuasikristalleri birden fazla frekansta salınım yapıyor. Yani, tek bir ritim yerine birden fazla ritmin iç içe geçtiği bir yapı oluşturuyorlar. Bu durum, zaman simetrisinin yeni bir şekilde kırılmasına neden oluyor ve bilim insanları için büyük bir keşif anlamına geliyor.
Araştırmacılar, deneylerini laboratuvar ortamında küçük bir elmas kristali kullanarak gerçekleştirdi. Öncelikle, elmasın yapısında küçük boşluklar oluşturarak elektronların kuantum seviyesinde birbirleriyle etkileşime girmesini sağladılar. Daha sonra, mikrodalga darbeleri kullanarak bu sistemi uyaran bilim insanları, zaman kuasikristallerinin ortaya çıkmasını sağladı.
Zaman kuasikristalleri mikroskobik boyuttalar ve çıplak gözle görülemiyorlar. Ancak hassas ölçüm cihazlarıyla bu yapıların zaman içindeki tekrarlayan frekans düzeni net bir şekilde gözlemlendi.
Bu keşif ne anlama geliyor?
Zaman kristalleri ve kuasikristalleri, temel fizik yasalarının anlaşılmasını genişleten önemli kavramlar. Ancak bu yeni madde fazının yalnızca teorik bir keşif olmadığını belirten bilim insanları, zaman kuasikristallerinin bazı pratik uygulamalarının da olabileceğini düşünüyor.
Örneğin, günümüzde kullanılan kuvars kristalleri saatlerin ve elektronik cihazların zaman ölçüm mekanizmalarında yaygın olarak kullanılıyor. Zaman kuasikristalleri, çok daha hassas ve uzun ömürlü bir zaman ölçüm yöntemi sağlayabilir.
Ayrıca, zaman kristalleri ve kuasikristalleri kuantum bilgisayarlar için de umut vadediyor. Normal bilgisayarlarda bellek ve işlem gücü sınırlıyken, kuantum bilgisayarlar atom altı parçacıkların kuantum özelliklerini kullanarak çok daha hızlı ve verimli hesaplamalar yapabilir. Zaman kuasikristalleri, kuantum bilgisayarların daha uzun süre veri saklamasına yardımcı olabilir ve enerji kaybını minimize eden yeni teknolojiler geliştirilmesine öncülük edebilir. Washington Üniversitesi ekibi, zaman kuasikristalleriyle ilgili daha fazla deney yaparak bu yeni madde fazının sınırlarını keşfetmeye devam edecek.
Kaynak: Physical Review X
