David Thouless, Ducan Haldane ve Michael Kosterlitz süper iletkenler ,süper akışkanlar ve ince manyetik filmler gibi olağan dışı fazlardaki garip olayları açıklamak için gelişmiş matematiksel yöntemleri kullandılar. Kosterlitz ve Thouless iki boyutlu kabul edilebilen yüzeylerde veya son derece ince tabakalarda çalıştılar. Haldane aynı zamanda tek boyutlu sayılabilecek çok ince iplikler oluşturan maddeleri inceledi.
Düz boyutlarda gerçekleşen fizik bildiğimiz dünyadan oldukça farklı.Milyonlarca atomdan oluşan madde ince bir şekilde dağıtılsa bile ve her atomunun davranışı kuantum fiziğiyle açıklansa bile onların çoğu bir araya geldiğinde atomlar tamamen farklı bir özellik gösterir.
2016 Nobel Fizik ödülü kazanan bu üç bilim insanının fizikte topolojik kavramları kullanmaları buluşları için belirleyici bir etken olmuştur.Matematiğin bir alt dalın olan topoloji adım adım değişen özellikleri açıklar.
Kuantum fiziği soğukta görünür olur
Aslında tüm maddeler kuantum fiziğinin yasaları tarafından yönetilir.Gazlar, sıvılar, katılar maddenin normal fazlarıdır. Burada kuantum etkileri genellikle rastgele atomik hareketler tarafından gizlenmiştir.Ancak aşırı soğukta mutlak sıfıra yakın madde tuhaf yeni fazlara bürünür ve beklenmedik şekilde davranır. Kuantum fiziği aniden görünür olur.
Soğukta tuhaf şeyler olabilir.Örneğin farklı bir şekilde tüm hareket eden parçacıkların karşılaştığı direnç aniden durur.Bir süper iletkende elektrik akımı dirençsiz akarsa veya süper akışkandaki vorteks(girdap) yavaşlamadan sonsuza dek dönerse böyle bir durum gözlenir.Sistematik olarak süper akışkanları inceleyen ilk kişi 1930’larda Rus Pyotr Kapitsa’ydı. Havada buluna helyum4’ü -271 °C’e kadar soğuttu ve helyum ile içine koyduğu kabın bağlantısını kesti böylece viskozitesi kaybolan helyum süper akışkan gibi davrandı. Kapitsa 1978 Nobel Fizik ödülünü aldı ve o zamandan beri laboratuvarda çeşitli süper akışkanlar yapıldı.
Süper akışkan helyum, süper iletkenlerin ince filmleri ,manyetik materyallerin ince tabakaları ve elektriksel olarak iletken nanoiplilkler yoğun bir şekilde incelenen yeni materyal fazından birkaçı.
Vorteks çiftleri çözüm getirdi
Araştırmacılar uzun süredir termal dalgalanmaların ,düz, iki boyutlu bir dünyada hatta mutlak sıfırda bile maddenin tüm düzenini yok ettiğine inanmaktaydı.Eğer düzenli fazlar olmazsa faz geçişleri de olmazdı. Ancak 1970’lerin başında, Thouless ve Kosterlitz o zamanki akım teorisine meydan okudu.Birlikte düz boyutlardaki faz geçişleri problemini ele aldılar ve faz geçişleri hakkında tamamen yeni bir anlayışa yol açtılar.Buna KT geçişi veya BKT geçişi denir.(Buradaki “B” benzer düşünceleri olan ve Moskovada ölen teorik fizikçi Vadim Berenskii içindir.)
Topolojik faz geçişi buz ve su arasındaki gibi sıradan bir faz geçişi değildir.Topolojik bir geçişte öncü rol düz malzemedeki küçük girdaplar(vorteksler) tarafından oynanır.Bir girdap, atomların spinlerinin dairesel kasırga döngüsü gibi yönlendirildiği bir noktadır.Bu obje oldukça sağlam olabilir.”Bir girdap oluştuktan sonra onu yok etmek zor olabilir.”diye açıklıyor yoğunlaştırılmış madde teoristi olan Steve Simon. Antivorteks denen ilgili bir obje daha karmaşık bir döngüye sahiptir.Bir vorteks ve bir antivorteks birleştiğinde bir kısmı radyan enerjiye dönüşür,ısı ve ışık yayan enerji, geriye kalan tüm spinler tek bir yön boyunca sıralanır. Kosterlitz ve Thouless düşük sıcaklıklarda vortekslerin antivortekslerle eşleştiğini ve etkilerini büyük oranda dengelediklerini gösterdiler.Sıcaklık yükseldiğinde faz geçişi meydana gelir. Vorteksler aniden birbirinden uzaklaşır ve kendi başlarına yelken açarlar.Yüksek sıcaklıklarda vorteksler ve antivorteksler bol miktarda bulunur ve spinler düzensizdir.Bu teori düşük boyuttaki farklı materyal türleri içinde kullanılabilir. Yani KT geçişi evrenseldir.Bu sadece yoğunlaştırılmış madde dünyasında değil aynı zamanda atom fiziği, istatiksel mekanik gibi fiziğin diğer alanlarında da uygulanan yararlı bir araç haline geldi. KT geçişinin ardındaki teori hem mucitleri hem de diğerleri tarafından geliştirildi ve aynı zamanda deneysel olarak doğrulandı.
Gizemli Kuantum Sıçramaları
1980’lerde Thouless ve Haldane önceki teorilere meydan okuyan çığır açıcı yeni bir teorik çalışma sundu.Önceki teorilerden biri hangi malzemelerin elektrik geçirdiğini belirlemek için kullanılan kuantum mekanik teoriydi. Bu önce 1930’larda geliştirildi ve birkaç on yıl sonra fiziğin bu alanı iyi anlaşılmış olarak kabul edildi. 1983’te Thouless önceki resmin eksik olduğunu kanıtladığında ve düşük sıcaklıklarda ve güçlü manyetik alanlarda topolojik kavramların çok önem taşıdığı yeni bir teori gerektiğini kanıtladığında büyük bir sürpriz oldu.Aynı zamanda Haldane manyetik atom zincirlerini analiz ederken benzer ve beklenmedik bir sonuç elde etti.Onların çalışmaları maddenin yeni evreleri teorisine yönelik sonraki çarpıcı gelişmelere aracı olmuştur. David Haldane’in topolojiyi kullanarak teorik olarak tanımladığı gizemli fenomen kuantum hall efektidir.1980’de Alman fizikçi Klaus von Klitzing tarafından keşfedildi ve 1985’te Nobel ödülüne layık görüldü.Elektronların mutlak sıfırın birkaç derece üstüne soğutulduğu ve güçlü bir manyetik alana maruz bırakıldığı iki yarı iletken arasında ince bir iletken tabakayla çalıştı.Keşfedilen QHE, klasik hall efekti gibi,bir manyetik alana maruz kalan akım taşıyan iletkendeki indüklenmiş gerilimdir.Ancak kuantum durumunda iletken 2 boyutla sınırlıdır.Akım iletken boyunca uzunlamasına(kuzey-güney) akarken, enine(doğu-batı) gerilim ölçülür.Şaşırtıcı bir şekilde manyetik alan adım adım arttıkça akımın voltaja oranı kesikli/aralıklı atlamalarla artar;değerler temel bir iletkenlik biriminin tam katlarıdır.Ölçümler sıcaklık, manyetik alan veya yarı iletkendeki madde miktarı değişse bile tam olarak aynı sonuçları sağlar.Manyetik alan yeterince değiştiğinde katmanın iletkenliği de ancak adımlar halinde değişir.Manyetik alanın mukavemetinin azaltılması ilk önce elektrik iletkenliğini iki katına çıkarır, sonra üç katı, dört…Bu tamsayı adımları o sırada bilinen fizikle açıklanamazdı ancak Thouless topolojiyi kullanarak bu bilmecenin çözümünü buldu.Topoloji bir nesne gerildiğinde, büküldüğünde veya deforme edildiğinde sağlam durumda kalan özellikleri açıklar.(Parçalara ayrılmış bir nesne hariç tutulur.)Topolojik olarak bir küre ve top aynı kategoriye aittir.Ortasında bir delik olan simit ve kulpunda bir delik olan kupa başka bir kategoriye aittir;birbirlerinin şekillerini oluşturmak için yeniden düzenlenebilirler. Topolojik nesneler 1,2,3,4… delik içerebilir.Ancak bu sayı bir tamsayı olmalıdır.Bunun bir tam sayının tam katları olan basamaklarda değişen kuantum hall efektinde bulunan elektriksel iletkenliği tasvir etmede yararlı olduğu ortaya çıktı.
Kuantum hall efektinde elektronlar yarı iletkenler arasındaki tabakada nispeten serbestçe hareket ederler ve topolojik kuantum sıvısı diye bir şey oluştururlar.Aynı şekilde birçok parçacık bir araya geldiğinde yeni özelliklerin ortaya çıkması gibi, topolojik kuantum akışkanındaki elektronlarda şaşırtıcı özellikler sergiler.Nasıl ki sadece küçük bir parçasına bakılarak kahve kupasında bir delik olup olmadığı tespit edilemezse, sadece onların bazılarına neler olduğu gözlemlenerek elektronların bir topolojik kuantum sıvısı oluşturup oluşturmadıklarına da karar vermek imkansızdır.Bununla birlikte iletkenlik elektronların ortak hareketini açıklar ve topoloji nedeniyle adımlar değişir;nicelendirilir.
Topolojik kuantum akışkanının diğer bir özelliği sınırlarının olağan dışı özelliklere sahip olmasıdır.Bunlar teori tarafından öngörülmüş ve daha sonra deneysel olarak teyit edilmiştir. Haldane kuantum hall efektindeki gibi topolojik kuantum akışkanlarının manyetik alan olmadığında bile ince yarı iletken katmanlarda oluşabileceğini 1988 de keşfetti.
Çok daha önceki çalışmalarda Haldane bu alandaki uzmanları bile şaşırtan bir öngörü yaptı.Bazı maddelerde meydana gelen manyetik atom zincirlerinin teorik çalışmalarında, zincirlerin atomik mıknatısların karakterine bağlı olarak temelde farklı özelliklere sahip olduklarını keşfetti. Kuantum fiziğinde iki tür atomik mıknatıs vardır:tek ve çift. Haldane çift mıknatıslardan oluşan bir zincirin topolojik olduğunu tek mıknatısların zinciri olmadığını gösterdi.Topolojik kuantum sıvısı gibi atomik zincirlerin topolojik olup olmadığını belirlemek bunun sadece küçük bir parçasını araştırmakla mümkün değildir.Ve kuantum sıvısı durumunda olduğu gibi topolojik özellikler kenarlarda kendilerini gösterirler.Zincirin uçlarında kendilerini gösterirler çünkü spin yarıları olarak bilinen kuantum özelliği bir topolojik zincirin sonundadır.Bu kuantum özelliği herhangi bir parçacık üzerinde değil zincirin ortak hareketine bağlı olduğundan,benzer fenomen,kuantum bir bilgisayarda bilgi kodlamak için sağlam yollar olarak araştırılmaktadır.
Başlangıçta Haldane’in atom zincirleri hakkındaki düşüncelerine kimse inanmadı.Fakat Haldane yoğun madde fiziğinde şu an parlak bir araştırma alanı olan yeni bir tür topolojik materyalin ilk örneğini keşfettiğini ortaya çıkardı.Hem kuantum hall sıvıları hem de manyetik atom zincirleri topolojik durumların yeni grubuna dahildir.Daha sonra araştırmacılar yalnızca zincirlerde ve ince sınır katmanlarında değil aynı zamanda sıradan 3 boyutlu malzemelerde de maddenin diğer topolojik durumlarını keşfettiler.Topolojik izolatörler, topolojik süper iletkenler ve topolojik metaller şu anki güncel konulardan.Bunlardan topolojik izolatörler yalnızca yüzeylerinde elektrik ileten malzemelerdir.Bu yüzey akımlarının normalde elektronların dağılmasına neden olan yüzey boyunca oluşan düzensizliklerden/kusurlardan topoloji tarafından korunduğu söylenir.Bu dayanıklılık bu malzemelerin oldukça verimli nanoteller ya da bir kuantum bilgisayarda kararlı bit depolamanın temeli olarak yararlı olmasını sağlayabilir diyor Washington üniversitesinden Marcel den Nijs.
Kaynak
http://www.nobelprize.org/
http://www.nature.com
Yorumlar