Zaman kristali nedir? Fizikte kuantum etkisi ve yeni madde

Maddenin yeni bir haliyle karşı karşıyayız. Bu madde, denge-dışı madde örneklerinin ilki. Bu yüzden de çok önemli bir buluş. Zaman kristali…

Zaman kristali nedir? Fizikte kuantum etkisi ve yeni madde fizik kanunları değişiyor

20. yüzyılın ilk yarısında denge halindeki maddeler keşfedildi. Örneğin metaller gibi. Artık denge-dışı maddeler dünyasının hepimize tamamen yeni olan alanını keşfetmeye başlıyoruz. Zaman kristali…

Fizikçiler iterbiyum iyonlarını üst üste uyararak tamamen yeni bir tür madde oluşturmayı başardılar. Bu madde, termodinamik açıdan ilk denge-dışı (non-equilibrium) madde olma özelliği taşıyor.

Kristaller, elmasa benzeyen yarıdeğerli mücevherlerdir. Elmasa benzeyen görünümleriyle de ilgi çekerler. Tırtıklı ametist ya da kuartz kristalleri koleksiyonerlerin gözdesidir. California Üniversitesi’nden bilim insanı Norman Yao’ya göre bu kristaller buz dağının sadece görünen yüzü. “Kristal Alemi”nin genişliği çok daha büyük boyutlarda olabilir.

Doğada bulunan bu kristallerin atomik yapısı uzayda tekrarlayan atomik yapılardır. Peki, uzayda tekrarlıyorlarsa niçin zaman boyutunda da tekrarlayan yapılar olmasın? “Zaman kristali olabilir mi?” sorusu fizik bilimcileri arasında bir süredir tartışılıyordu.

Böyle bir kristalin nasıl ortaya çıkabileceği ve ölçülebileceğine, hatta oluşumu esnasında geçirdiği evrelerin (buzun sıvı ya da gaz halleri gibi) anlaşılmasına yönelik çalışmalar California Üniversitesi Berkeley kampüsünde fizik bölümünde yapılıyor.

Asistan profesör Yao’nun proje taslağını ele alan bu iki araştırma grubu, Zaman Kristali‘nin açığa çıkarılmasında ilerleme kaydedip bu ilk denge-dışı maddeyi oluşturduklarını açıkladılar. Maryland ve Harvard üniversitelerinden araştırmacılar sonuca ulaşmak için iki farklı düzenek kullanmışlar ve bu yüzden iki farklı makale ortaya çıkmış. Yao her ikisinde de yardımcı yazar olarak görev alıyor.

Tek boyutlu iterbiyum atom zincirindeki dönüş (spin) değişiklikleriyle iyonların birbirlerine etkileri sonucu yaratılan yeni madde: Zaman Kristali.
Tek boyutlu iterbiyum atom zincirindeki dönüş (spin) değişiklikleriyle iyonların birbirlerine etkileri sonucu yaratılan yeni madde: Zaman Kristali.

Zaman kristali, zaman boyutu içinde tekrarlayan yapılar. Laboratuvarda lazer atımlarıyla iterbiyum iyon zincirine belirli aralıklarla uyartılar veriliyor ve bu da kıvamlı bir jeli tekrar tekrar dürtmeye benziyor, diyor Yao. Esas büyük başarı bu maddenin kendi doğasından gelen bir dengesizlik içinde oluşu ve bir denge haline asla geçemeyen yepyeni bir madde türü olması. Yani bir kere dürttüğünüzde başka bir enerjiye gerek duymadan sonsuza dek bu periyodik titreşimli yapısını sürdürüyor. Doğadaki bir elmas, dengeye ulaşmış yapıdadır ancak bir zaman kristali asla dengeye ulaşamaz. Termodinamik olarak denge-dışıdır.

Zaman Kristali'nin 3 boyutta tekrar eden iyonik dönüşlere zaman boyutunun eklenmesiyle oluşan 4 boyutlu gösterimi.
Zaman Kristali’nin 3 boyutta tekrar eden iyonik dönüşlere zaman boyutunun eklenmesiyle oluşan 4 boyutlu gösterimi.

Zaman kristali ne zaman keşfedildi?

Bu maddelerin kullanım potansiyelleri bakımından da tartışmalar sürüyor. Zaman kristali, kuantum bilgisayarlarında mükemmele yakın hafıza öğeleri olarak kullanılma potansiyeli taşıyor ve bu konudaki araştırmalar kuantum çağının müjdecisi olarak farklı bir ilgiyle izleniyor.

Zaman kristali, ilk kez 2012’de Nobel ödüllü Frank Wilczek tarafından ortaya atılmıştı ve geçtiğimiz yıl Princeton Üniversitesi teorik fizikçileri ile California Üniversitesi fizikçileri birbirlerinden bağımsız olarak bu tür kristal maddelerin yapılabildiğini ispatladılar. Yao’nun içerisinde yer aldığı Maryland ve Harvard araştırma gruplarının çalışmaları ise bu teorik zeminle pratiğin arasında köprü işlevi görüyor.

Maryland Üniversitesi’nden Chris Monroe ve arkadaşlarının çalışmasında oluşturulan zaman kristali, elektron dönüşleri birbirleriyle kuantum bilgisayarlar olarak test edilen kubit sistemlerdeki gibi ilişkili 10 adet iterbiyum iyonunun uyarılmasıyla üretilmiş. İyonları denge-dışı duruma sürüklemek için bir lazer ışınıyla üst üste uyararak etkili bir manyetik alan oluşturan araştırmacılar, bir diğer lazerle de atomların dönüşlerini (spin) kısmen düzenlemişler. Bu müdahaleyi birçok kez yenileyince dönüşler arasındaki ilişki atomlarda belli ve tekrarlı bir dönüş örüntüsü yaratmış. Buna da kristal yapı adı veriliyor.

Kuantum mekaniğine göre elektronlar, atomların temelini oluşturan düzenli, üç boyutlu ve simetrik uzamsal yapıyla uyuşmayan kristaller oluşturabiliyor. Bu durum madde simetrisinin bozulmasına ve “kristal” olarak adlandırılan maddenin kendine özgü özelliklerle ortaya çıkmasına neden oluyor.

Kuantum fiziği yeni olasılıklara kapı aralıyor. İyon yakalayıcı cihazda zaman kristali oluşumu. Fotoğraf: Hartmut Häffner.
Kuantum fiziği yeni olasılıklara kapı aralıyor. İyon yakalayıcı cihazda zaman kristali oluşumu. Fotoğraf: Hartmut Häffner.

“Zaman kristali, zamansal simetriyi de bozuyor”

“Bir ‘zaman kristali’ ayrıca zamansal simetriyi de bozuyor. Kristallerin üretiminde kullanılan iterbiyum (Yb) atomları üzerinde manyetik alan ve lazer atımlarıyla değişiklikler yaparak normal bir sistemde asla ortaya çıkmayacak bir “tekrarlı” sistem yarılıyor.” diyor Yao.

Yeniden Yao’nun jel örneği üzerinden anlatırsak, “Dürttüğünüz jeldeki titreşim hareketinin tamamen farklı bir frekansla size geri döndüğünü görseniz, tuhaf olmaz mıydı? İşte bu zaman kristallerinin özündeki olay. Siz “T” frekansında dürtüyorsunuz fakat kristaller size “T”den daha büyük frekanslı bir titreşimle geri dönüyor.

Maryland Üniversitesi’nden Monroe ve çalışma arkadaşlarıyla birlikte bu yeni denge-dışı maddenin sistemde kararlı veya sert bir yapıda olup olmadığını ölçmek için çalışan Yao, ayrıca bir zaman kristalinin nasıl faz değiştirdiğini de anlamaya çalışıyor. Bir buz kübünün erimesi gibi, farklı manyetik alanlar ve lazer atımları karşısında zaman kristalinin davranışlarını inceliyor.

Harvard takımının başındaki Mikhail Lukin ise, zaman kristali denemelerini kurguladığı laboratuvarında elmasların içinde yoğun bir şekilde azotla doldurulmuş odacıklarla çalışıyor.

Indiana Üniversitesi’nden Phil Richerme’in sözleriyse bu olağanüstü araştırmanın önemini vurgular nitelikte: “Birbirinden kesin çizgilerle ayrılmış sistemlerde böylesi benzer sonuçların ortaya çıkması bizlere zaman kristallerinin maddenin yepyeni bir hali olduğunu fazlasıyla gösteriyor. Zaman kristallerinin bu şekilde ayrı ayrı gözlemlenmesi, söz konusu simetri kırılmalarının bütün doğal sistemlerde meydana gelebileceğini ve fiziğin evrenindeki araştırmaların yepyeni yönlere evrimleşmesini sağlayacak biçimde önümüzdeki yolu aydınlattığını haber veriyor.”

Norman Yao ise bu yeni madde üzerindeki bulguları incelemeyi sürdürürken bir yandan henüz keşfedilmemiş olan diğer denge-dışı maddelerin varlığını araştırmak için gerekli kuramsal temeller üzerinde çalışıyor.

* A. Caner Sönmez, Matematiksel – Haber kaynağı: Science Daily

Kuantum Teorisinin düşünce boyutuna katkıları