Bilim insanları, direnç olmaksızın alışılmadık bir “kenar durumunda” serbestçe hareket eden ultra soğuk atomları fotoğraflarını yakaladılar.
Elektronlar genellikle metallerin çoğunda herhangi bir yönde akabilen serbest maddelerdir.
Yüklü parçacıklar bir şeyle temas ettiklerinde sürtünmeyle karşılaşırlar ve çarpışan bilardo topları gibi düzensiz bir şekilde dağılırlar.
Bununla birlikte, elektronlar bazı garip malzemelerde tek bir hedefle akıyor gibi görünebilir.
Bu malzemelerdeki elektronlar, malzemenin kenarına hapsolma ve bir battaniyenin kenarı boyunca tek bir sıra halinde hareket eden karıncalara benzer şekilde tek bir yönde akma potansiyeline sahiptir. Elektronlar bu nadir “kenar durumunda” serbestçe hareket edebilir,
engellerden kaçınabilir ve bunu yaparken çevre odaklı akışlarını sürdürebilirler. Kenar modları tarafından taşınan akım, malzemedeki tüm elektronların direnç olmadan aktığı bir süper iletkenin aksine, yalnızca bir malzemenin sınırında gerçekleşir.
MIT bilim insanları artık aşırı soğuk atomlardan oluşan bir buluttaki kenar durumlarını yakından gördüler. Yollarındaki engellere rağmen bir sınır boyunca serbestçe akan atomların görüntüleri ilk kez araştırmacılar tarafından elde edildi.
Nature Physics dergisinde yayınlanan bulgular, fizikçilerin malzemelerdeki elektron akışını kontrol etmesini kolaylaştırarak son derece verimli, kayıpsız veri ve enerji iletimine olanak tanıyabilecek malzemelerin geliştirilmesine yol açabilir.
Araştırmanın ortak yazarı Richard Fletcher’a göre, “uygun bir malzemeden küçük parçalar yapıp gelecekteki cihazların içine koymayı hayal edebilirsiniz, böylece elektronlar herhangi bir kayıp olmadan devrenizin kenarları boyunca ve farklı bölümleri arasında gidip gelebilir.”
“Bununla birlikte, bizim için güzelliğin, fiziğe kendi gözlerimizle tanıklık etmekte yattığını vurgulamak isterim – gerçekten şaşırtıcı olan ancak çoğu zaman malzemelerin içinde gizlenen ve yakından algılanamayan bir bilim.”
Her zaman uçurumun kenarında Araştırmacılar 1980 yılında, elektronların yalnızca iki boyutta var olmasına izin verilen
katmanlı malzemelerle çalışırken bugün Kuantum Hall etkisi olarak bilinen tuhaf fenomeni fark ettiklerinde, fizikçiler başlangıçta bunu açıklamak için kenar durumları kavramını kullandılar. Bu testler manyetik bir alanda ve son derece düşük sıcaklıklarda gerçekleştirilmiştir.
Elektronlar bu malzemelerin içinden düz bir çizgi halinde akmıyordu;
bunun yerine, bilim insanları içlerinden bir akım geçirmeye çalıştıklarında kesin kuantum kesirleri halinde bir tarafta toplanıyorlardı.
Bu tuhaf olguyu açıklamak amacıyla fizikçiler, bu Hall akımlarının taşınmasından kenar durumlarının sorumlu olduğunu öne sürdüler. Uygulanan bir akımdaki elektronların bir manyetik alan tarafından bir malzemenin kenarlarına yönlendirilebileceği ve burada ilk bulguları açıklayabilecek şekilde akacakları ve toplanacakları öne sürülmüştür.
Fletcher’a göre, “yükün manyetik alan altında akma şekli, kenar modları olması gerektiğini gösteriyor.” “Bununla birlikte, bu durumları yakalamak son derece zordur çünkü bunlar femtosaniyeler boyunca ve bir nanometrenin kesirleri boyunca meydana gelir, bu yüzden onları gerçekten görmek oldukça özel bir şeydir.”
Fletcher ve meslektaşları, elektronları uç bir durumdayken yakalamaya çalışmak yerine aynı fiziği daha büyük ve daha gözlemlenebilir bir sistemde yeniden yaratabileceklerini düşündüler. Grup, manyetik bir alandaki elektronların fiziğini simüle eden titizlikle inşa edilmiş bir sistemde ultra soğuk atomların nasıl davrandığını gözlemliyor.
Zwierlein, “Bizim düzeneğimizde de aynı fizik atomlarda gerçekleşiyor ama milisaniyeler ve mikronlar boyunca.” diyor. “Bu, sistemin kenarı boyunca hareket eden atomların neredeyse sonsuza kadar fotoğraflarını çekebileceğimiz ve gözlemleyebileceğimiz anlamına geliyor.”
Bilim insanları yeni deneylerinde nanokelvin sıcaklığına kadar soğuttukları ve lazer kontrollü bir tuzakta tuttukları yaklaşık bir milyon sodyum atomundan oluşan bir bulut kullandılar. Daha sonra, tuzağı kullanarak atomları döndürdüler ve bir lunaparktaki Gravitron gezintilerini simüle ettiler.
Fletcher’a göre, “merkezkaç kuvveti atomları dışa doğru çekmeye çalışırken, tuzak onları içe doğru çekmeye çalışıyor.” Bu iki kuvvet dengede olduğundan, evren dönüyor olsa bile bir atom düz bir uzayda yaşadığına inanır. Coriolis etkisi olarak bilinen üçüncü bir kuvvet nedeniyle düz bir çizgide hareket etmeye çalışırlarsa saptırılırlar.
Sonuç olarak, bu devasa atomlar artık bir manyetik alan içindeki elektronlar gibi davranmaktadır.
Araştırmacılar daha sonra bu üretilmiş gerçekliğe, dönen atomların etrafında dairesel bir duvar oluşturan lazer ışığı halkası şeklinde bir “kenar” eklediler. Ekip sistemin görüntülerini çekerken, atomların ışık halkasıyla karşılaştıklarında kenarı boyunca tek bir yönde aktıklarını gözlemledi.
Zwierlein şöyle diyor: “Bunları bir kâsenin içinde hızla döndürdüğünüz bilyeler gibi düşünebilirsiniz; bilyeler kâsenin kenarının etrafında dönüp duruyor.” “Sürtünme diye bir şey yoktur. Atomlar dağılmaz, sistemin diğer bileşenlerine sızmaz ya da yavaşlamaz.
Kusursuz, iyi düzenlenmiş bir akış vardır.
Fletcher şöyle devam ediyor: “Bu atomlar yüzlerce mikron boyunca sürtünme olmaksızın akıyor.” Bu tür bir fiziğin herhangi bir saçılma olmadan bu kadar uzun süre akması, ultra soğuk atom sistemlerinde tipik olarak görebileceğiniz bir şey değildir.
Bu yumuşak geçiş, araştırmacılar ilk lazer halkasının kenarı boyunca parlatarak atomların rotasına bir hız tümseği -ışık noktası- attıktan sonra bile devam etti. Atomlar bu yeni engelle karşılaştıklarında yavaşlamadı ya da dağılmadı; bunun yerine herhangi bir sürtünme yaşamadan yanından geçip gittiler.
Fletcher’a göre, “Kasıtlı olarak bu büyük, itici yeşil lekeyi gönderiyoruz ve atomların ondan sekmesi gerekiyor.” “Ama aslında gördüğünüz şey, ondan kaçmayı başardıkları, duvara geri döndükleri ve şenliklerine devam ettikleri.”
Elektronlarda meydana geldiği tahmin edilen aynı davranış, ekibin atomlardaki gözlemleriyle belgelenmiştir. Ekibin bulgularına göre, atomların düzeni, elektronların kenar durumlarındaki davranışlarını incelemek için güvenilir bir örnek oluşturuyor.
Fletcher’a göre, bu kenarın önemini ve doğruluğunu açıkça gösterebiliriz ve bu çok güzel bir fizik parçasının gerçekten temiz bir tezahürüdür. “Beklentiler daha da bulanıklaştıkça, sisteme ek engeller ve etkileşimler eklemek doğal bir sonraki adım olacaktır.”
Referans: news.mit.edu/2024/ultracold-atoms-edge-state-0906
Derleyen: Ahmet Berkay Uz – Çankaya Üniversitesi – Makine Mühendisliği Öğrencisi
