Cambridge’deki Cavendish Laboratuvarı‘ndan fizikçiler, istatistiksel mekaniğe meydan okuyan yeni bir madde fazı olan Bose camının ilk kez iki boyutlu versiyonunu geliştirdiler.
Bose camı, adından da anlaşılacağı üzere bazı camsı özelliklere sahiptir ve içinde bulunan tüm parçacıklar lokalize olmuştur. Bu, sistemdeki her bir parçacığın komşularıyla etkileşime girmesine izin vermeden kendisine yapıştığını gösteriyor. Eğer kahve lokalize olsaydı, sütle kahveyi karıştırırken kahve ve beyaz çizgilerden oluşan karmaşık desen ortadan kalkmak yerine sonsuza kadar kalırdı.
Geleneksel bir kristal gibi uzun menzilli sıralı, ancak periyodik olmayan, yani Penrose döşemesi gibi asla tekrar etmeyen bir desen olan yarı periyodik bir desen oluşturmak için grup, maddenin bu yeni evresini oluşturmak için birkaç lazer ışınını bir araya getirdi. Bose camının oluşumu, mutlak sıfıra yakın nanokelvin sıcaklıklarına soğutulmuş ultra soğuk atomların yapıya dahil edilmesiyle gerçekleşti.
Lokalizasyonun Önemi ve Kuantum Hesaplama
Çalışmayı yöneten Cavendish Laboratuvarı Çoklu Cisim Fiziği Profesörü Ulrich Schneider, “Lokalizasyon sadece istatistiksel mekanikte kırılması en zor cevizlerden biri değil, aynı zamanda kuantum hesaplamayı ilerletmeye de yardımcı olabilir” dedi. Lokalize bir sistem, çevresiyle karışmadığı için kuantum bilgisi çok daha uzun süre korunacaktır.
Schneider, “Büyük kuantum sistemlerinin büyük bir sınırlılığı, onları bir bilgisayarda modelleyemememizdir” dedi. Sistemin doğru bir şekilde tanımlanması için, tüm parçacıklarını ve olası konfigürasyonlarını dikkate almamız gerekiyor çünkü bu sayı hızla artıyor. Bununla birlikte, artık gerçek hayattan iki boyutlu bir örneğimiz var ve dinamiklerini ve istatistiklerini doğrudan gözlemleyebiliyoruz.”
Schnieder ve ekibi, kuantum çoklu cisim dinamikleri ve kuantum simülasyonuna odaklanmaktadır. Büyük bir tam kapsamlı kuantum bilgisayarının yokluğunda sayısal olarak simüle edilemeyen çoklu cisim etkilerini incelemek için ultra soğuk atomlar kullanıyorlar.
Çoğu zaman, bu sorun önemli ölçüde basitleşir çünkü sistem her zaman yalnızca sistemin sıcaklığının önemli olduğu bir termal duruma geçecektir. Bu durumda, sistemin diğer tüm bileşenlerinin çoğu önemsiz kalacaktır. Buna ergodik olma denir ve istatistiksel mekaniğin temelini oluşturur. Schneider, “Örneğin, sadece dökülen süt miktarını bilmek, uzun süre karıştırdıktan sonra kahvemizin son rengini tahmin etmek için yeterlidir.” diye açıkladı. “Ancak karıştırma sırasında beyaz ve koyu girdapların tam yapısını tahmin etmek istiyorsak, sütün nereye döküldüğünü ve karıştırmanın tam olarak nasıl yapıldığını bilmek çok önemlidir.”
Bose Camı: İstatistiksel Fiziğin Temellerine Meydan Okuyor
Bose camı ilginç bir şekilde ergodik değildir. Bu, “kendi ayrıntılarını unutmadığı” anlamına gelir, bu nedenle onu modellemek için tüm ayrıntılar gereklidir. Bu sayede, çoklu cismin lokalizasyonu için ideal bir seçenektir.
Çalışmanın ilk yazarı Dr. Jr-Chiun Yu, “Çoklu cisim lokalizasyonuna sahip bir sistem veya malzeme bulmak uzun vadeli bir hedef” dedi. “Böyle bir malzeme sadece temel çalışmalar için değil, aynı zamanda kuantum bilgisayarlar inşa etmek için de birçok yeni olanak sunacaktır, çünkü böyle bir sistemde depolanan kuantum bilgisi daha lokal kalmalı ve çevresine sızmamalıdır – şu anda birçok kuantum hesaplama platformunu rahatsız eden “dekoherans” adı verilen bir süreç.”
Bose Camı ve Süperakışkanlık Arasındaki Geçiş
Araştırmacılar, deneyde Bose camından süper akışkana şaşırtıcı derecede hızlı bir faz geçişini gözlemlediler. Bu faz geçişi, sıcaklık arttıkça buzun erimesine benziyordu. Çalışmaya katkıda bulunan Cambridge Üniversitesi’nde eski bir Doktora Sonrası Araştırma Görevlisi ve şu anda Pekin Üniversitesi’nde Yardımcı Doçent olan Dr. Bo Song, “Süper akışkan, herhangi bir direnç olmadan akan bir sıvıdır” dedi. Parçacıkların bir süper akışkanın içinde yüzdüğünü hayal edin; akışkan onları yavaşlatmaz ve sürtünme yapmaz. Süperiletkenlik ve süperakışkanlık yakından ilişkilidir. Yeni gözlemlenen Bose camı ve süperakışkan, başka bir kuantum fazı olan Mott yalıtkanı ile birlikte, Bose-Hubbard modelinin temel durumlarını oluşturuyor. Bu durumlar, etkileşen ve düzensiz sistemlerdeki bozonların fiziğini açıklar.”
Bose camları ve süper akışkanlar, buz ve sıvı su gibi maddenin farklı fazlarıdır. Bununla birlikte, sistemlerindeki atomlar, bir bardak su içinde buz küpleri gibi, deney boyunca her iki fazı da oluşturabilir. Son teorik tahminleri doğrulayan deneysel bulgular, Bose camının nasıl oluştuğunu ve geliştiğini gösteriyor. Böylece bilim insanları artık yeni uygulama alanları düşünmeye başlayabilirler.
Buz ve sıvı su gibi maddenin farklı fazları, süper akışkanlar ve bosa camları gibidir. Bununla birlikte, sistemlerindeki atomlar, bir bardak su içinde buz küpleri gibi, deney boyunca her iki fazı da oluşturabilir. Son teorik tahminleri doğrulayan deneysel bulgular, Bose camının nasıl oluştuğunu ve geliştiğini gösteriyor. Böylece bilim insanları artık yeni kullanımları düşünmeye başlayabilirler.
Schneider, gelecekteki parlak fırsatlara rağmen dikkatli olmamız gerektiğine inanıyor. Bose camının hem termodinamik hem de dinamik özellikleri ve çoklu cisim lokalizasyonu ile potansiyel bağlantısı hakkında hala anlamadığımız çok şey var. Bunun için kullanım alanları bulmaya çalışmadan önce bu soruların daha fazlasını yanıtlamaya odaklanmalıyız.
Daha fazla bilgi için makalenin kaynağı: Jr-Chiun Yu, Shaurya Bhave, Lee Reeve, Bo Song, Ulrich Schneider. Observing the two-dimensional Bose glass in an optical quasicrystal. Nature, 2024; 633 (8029): 338 DOI: 10.1038/s41586-024-07875-2
Haberin kaynağı: University of Cambridge. “Discovery of a new phase of matter in 2D which defies normal statistical mechanics.” ScienceDaily. ScienceDaily, 11 September 2024. <www.sciencedaily.com
Haberi Derleyen: Fatma Nida Ocak – Üsküdar Üniversitesi Adli Bilimler Yüksek Lisans
