Massachusetts Üniversitesi’nde fizik profesörü olan Tigran Sedrakyan ve meslektaşları kısa bir süre önce Nature dergisinde maddenin yeni bir fazını keşfettiklerini bildirdiler. “Kiral Bose-sıvı hali” olarak bilinen keşif, fiziksel evrenin doğasını anlamaya yönelik uzun süredir devam eden arayışta yeni bir yol açıyor.
Maddenin Temel Hallerindeki Değişiklikler ve Kiral Bose Sıvı Hali
Normal koşullarda madde katı, sıvı ya da gaz şeklinde olabilir. Ne var ki, sıradan olanın dışına çıktığınızda -mutlak sıfıra yakın sıcaklıklar, atomun bir parçasından daha küçük cisimler ya da gerçekten düşük enerji seviyelerine sahip varlıklar- dünya tamamen farklı bir görünüme bürünür. Sedrakyan’a göre, “maddenin kuantum hallerini bu sınırların çok dışında bulursunuz” ve bunlar tipik olarak deneyimlediğimiz üç klasik halden çok daha uç noktalardır.
Sedrakyan yıllarını bu tuhaf kuantum durumlarını incelemekle geçirdi ve özellikle güçlü etkileşime giren kuantum maddesinin fizikçilerin “bant dejenerasyonu”, “hendek bantları” veya “kinetik hayal kırıklığı” olarak adlandırdığı şeyi sergileyebileceği fikri ilgisini çekti.
Çoğu durumda, parçacıklar herhangi bir sistemde çarpıştığında, bilardo toplarının çarpışması ve ardından öngörülebilir bir şekilde tepki vermesi gibi sonuçlar öngörülebilirdir. Bu nedenle, etkiler ve parçacıklar arasında bir korelasyon vardır. Bilardo topu hayal kırıklığına uğramış bir kuantum sisteminde havalanabilir veya akıl almaz bir açıyla uçabilir, ancak parçacık etkileşiminden kaynaklanan sınırsız olasılıklar vardır ve bu sonsuz olasılıklardan bazıları yeni kuantum durumlarına yol açabilir.
Sedrakyan ve meslektaşları tarafından bir hayal kırıklığı makinesi olarak iki katmanlı yarı iletken bir cihaz yaratıldı. Üst katmanda serbestçe hareket edebilen çok sayıda elektron bulunuyor. En alt katman ise “deliklerle” ya da gezgin elektronların bulunabileceği yerlerle dolu. İki katman daha sonra birbirlerine inanılmaz derecede yaklaştırılıyor – atomlar arası yakınlığa getiriliyor.
Sedrakyan ve meslektaşları alt katmanı, alt katmandaki elektron ve delik sayısı arasında yerel bir dengesizlik olacak şekilde oluşturdu. Eğer üst katmandaki elektron sayısı ile alt katmandaki delik sayısı eşit olsaydı, o zaman parçacıkların birbiriyle ilişkili bir şekilde hareket etmesi beklenirdi. Sedrakyan bunu elektronları kızdırmaya yönelik sandalye kapmaca tarzı bir oyun olarak tanımlıyor. Her elektronun artık seçebileceği tek bir sandalye yok; bunun yerine, artık nereye “oturacakları” konusunda çeşitli seçenekler arasında hokkabazlık yapmaları gerekiyor.
Kiral Durumda Kuantum Maddesi
Bir dizi beklenmedik özelliğe sahip olan benzersiz kiral kenar durumu, bu tatminsizlik tarafından başlatılır. Örneğin, kiral durumdaki kuantum maddesi mutlak sıfıra soğutulduğunda elektronlar öngörülebilir bir düzende donar ve bu durumda ortaya çıkan yüksüz parçacıkların hepsi ya saat yönünde ya da saat yönünün tersine döner. Bu elektronlardan birinin spini, diğer parçacıklarla çarpışmalar ve manyetik alanların uygulanması da dahil olmak üzere hiçbir güç tarafından değiştirilemez; bu da onları şaşırtıcı derecede dirençli ve hatta hataya dayanıklı dijital veri kodlaması için uygun hale getirir.
Dışarıdan bir parçacık kiral kenar durumundaki parçacıklardan biriyle çarpıştığında ortaya çıkan şey daha da beklenmediktir. Bilardo topu benzetmesine uygun olarak, isteka topunun sekiz topuna çarparak onu uçurmasını beklersiniz. Ancak, 15 bilardo topu kiral Bose-sıvı durumunda olsaydı, hepsi de sekiz topun vuruşuna aynı şekilde tepki verirdi. Bu kuantum sisteminde var olan uzun menzilli dolanıklık bu fenomene neden olan şeydir.
Kiral Bose-sıvı hali, görülmesi zor olduğu için uzun süredir gizleniyordu. Bunu yapmak için, Pekin Üniversitesi’nden deneysel fizikçi Rui-Rui Du ve Nanjing Üniversitesi’nden teorik fizikçiler Rui Wang ve Baigeng Wang liderliğindeki bir grup bilim insanı, yer kapma yarışına giren elektronların hareketlerini ölçmek için kullanılabilecek son derece güçlü bir manyetik alandan yararlanan bir teori ve deney geliştirdi.
Lingjie Du, “Yarı iletken çift tabakanın kenarında, elektronlar ve delikler aynı hızlarla hareket ediyor” diyor. Elektron ve delik kanalları daha yüksek alanlar altında bölündüğünden, bu durum harici manyetik alanlar tarafından daha fazla manipüle edilebilen sarmal benzeri taşıma ile sonuçlanır.
Sonuç olarak, manyeto-transport deneyleri, yayının yazarları tarafından “eksitonik topolojik düzen” olarak da bilinen kiral Bose-sıvısının ilk kanıtını başarıyla sunuyor.
Kaynak: phys.org/news
