Oda sıcaklığında süpersolid: Işık-madde parçacıkları hem katı hem akışkan gibi davrandı

Fizikçiler, birbiriyle bağdaşmaz görünen iki özelliği aynı anda taşıyan egzotik bir kuantum madde halini oda sıcaklığında gözlemlediklerini bildirdi. Süpersolid denen bu hal, bir kristalin düzenli yapısını sıvı benzeri sürtünmesiz akışla birleştiriyor. Bulgular Science Advances dergisinde yayımlandı.

Süpersolid nedir?

Gündelik hayatta katılar ile sıvılar birbirinden çok farklıdır. Kristallerde parçacıklar tekrar eden bir desenle dizilir. Sıvılar ise akar ve içine konuldukları kabın şeklini alır. Kuantum fiziği ise bu sezgisel ayrımı bozan durumlara izin veriyor.

Bunlardan biri süperakışkanlık. Süperakışkan, iç direnci yani viskozitesini yitirmiş bir sıvıdır ve çok dar geçitlerden bile olağan sürtünme olmadan geçebilir. İçine bir kürek daldırdığınızı düşünün: kürek belli bir hıza ulaşana dek neredeyse hiç direnç görmez. O eşikten sonra kuantum girdabı denen küçük dönen yapılar aniden oluşur.

Fizikçiler yıllar önce daha da tuhaf bir ihtimali ortaya attı: Süperakışkan, kristallere özgü tekrarlı yapıyı da kazanabilir miydi? Kuramsal olarak önerilen bu birleşime süpersolid adı verildi. Uzun yıllar yalnızca kavram olarak kaldı. Deneysel doğrulama 2017'de, aşırı soğutulmuş atomlardan oluşan Bose-Einstein yoğunlaşmalarında geldi. Ancak bunun bedeli, maddeyi mutlak sıfıra çok yakın sıcaklıklara indirebilen karmaşık donanımlardı.

Soğuk atomlar yerine ışık

Çalışmayı Varşova Üniversitesi Fizik Fakültesi, Polonya'daki Askeri Teknoloji Üniversitesi, IBM Research Zürih ve Fransız Ulusal Bilimsel Araştırma Merkezi (CNRS) bağlantılı uluslararası bir ekip yürüttü. TopoLight adlı konsorsiyum, atomları dondurmak yerine eksiton polaritonu denen hibrit parçacıklarla çalıştı.

Bu yarı parçacıklar, ışık ile madde mikro kavite adı verilen minik bir optik odacık içinde çok güçlü etkileşime girdiğinde ortaya çıkıyor. Ortaya çıkan parçacık hem ışığın hem de maddenin özelliklerini taşıyor. Ömürleri son derece kısa; yalnızca birkaç pikosaniye yaşıyorlar. Buna rağmen bir Bose-Einstein yoğunlaşması oluşturup topluca kuantum süperakışkanı gibi davranabiliyorlar.

Ekip bunun için, özel olarak tasarlanmış bir sıvı kristal içeren optik mikro kavite kurdu ve üzerini organik bir yarı iletkenle kapladı. Bu düzenek, ışık ile maddenin istenen kuantum etkileri üretecek kadar güçlü etkileşmesini aşırı soğutma gerekmeden sağladı. Sıvı kristal yapıları geliştiren Askeri Teknoloji Üniversitesi'nden Prof. Wiktor Piecek, sıvı kristal mikrokavitelerinin 60 °C'ye yaklaşan sıcaklıklarda bile çalışabildiğini söylüyor.

Kanıt ışığın deseninde

Böyle bir hale geçildiğini anlamak için araştırmacılar örneğin yaydığı ışığa baktı. Sistem süpersolid evresine girdiğinde, düzenli aralıklarla sıralanmış parlak saçaklar görüldü. Bu desen, yoğunlaşmanın yoğunluğunda kendiliğinden tekrar eden bir değişim geliştirdiğini gösteriyor. Böyle bir uzamsal düzen, kristal yapıların tanımlayıcı özelliği ve süpersolidliğin önemli bir işareti sayılıyor.

Neden önemli?

Egzotik kuantum hallerini incelemek çoğu zaman pahalı, büyük ve bakımı zor soğutma sistemleri gerektirir. Bu yüzden birçok laboratuvar bu deneyleri yapamaz, olası uygulamalar da bilimsel merakın ötesine geçmekte zorlanır. Daha erişilebilir koşullarda çalışan bir platform, aynı olguların daha çok araştırma grubu tarafından denenmesinin yolunu açabilir.

Araştırmacılar, bulguların optik hesaplama ve çok hassas algılayıcılar gibi gelecekteki teknolojilere katkı sağlayabileceğini belirtiyor. Işık tabanlı sistemler genel olarak bilgiyi taşıma ve işleme konusunda umut vadediyor. Ancak bu çalışma henüz temel bir gösterim; hazır bir ürün ya da yakın tarihli bir uygulama anlamına gelmiyor.

Arka plan: Yoğunlaşma ve yarı parçacıklar

Bose-Einstein yoğunlaşması, çok sayıda parçacığın aynı kuantum durumuna geçip tek bir dalga gibi davrandığı bir maddenin halidir. Klasik olarak bu geçiş, çok düşük sıcaklıklarla ilişkilendirilir. Işık-madde karışımı parçacıklar ise çok hafif olduğundan, benzer toplu davranışı çok daha yüksek sıcaklıklarda sergileyebilir. Bu, polariton araştırmalarını kuantum akışkanlar alanında ilgi çekici kılan nedenlerden biridir.

Yarı parçacık kavramı da burada önemli. Yarı parçacıklar gerçek, tek başına var olan bir parçacık değil; bir sistemin toplu davranışının parçacık gibi tanımlanabilen sonucudur. Eksiton polaritonu bu türün ışık ve madde karışımı bir örneği. Kısa ömürlerine karşın, süreklice yeniden üretilip ışık olarak ölçülebildikleri için laboratuvarda gözlemlenmeleri mümkün oluyor.