Yüz yıl önce Einstein, ışığın küçük parçacıklardan oluştuğunu söylediğinde pek çok fizikçi buna gülmüştü. Bugün ise İtalyan bilim insanları, o parçacıkları yapılandırarak katı bir madde haline getirmeyi başardı. Peki bir şeyi «katı» kılmak ne demek ve ışık gibi havada süzülen bir şey nasıl olur da şekil alır?
Işıktan Katı Madde Nasıl Elde Edildi?
Işığı günlük hayatta hep hareket halinde biliriz. Odanın bir ucundan diğerine saniyeden çok daha kısa bir sürede ulaşır. Işık demetini elinizle tutamaz, kavrayamazsınız. Çünkü foton denilen bu temel parçacıklar birbirleriyle doğrudan etkileşime girmez. İki foton çarpıştığında birbirlerinden geçip gider. Bu yüzden ışığı bir top gibi düşünemeyiz.
İtalya Ulusal Araştırma Konseyi bünyesinde çalışan araştırmacılar, bu doğa yasasını laboratuvar ortamında aşmayı başardı. Fotonları doğrudan etkileştirmek yerine farklı bir yol izlediler: Galliyum ve alüminyum arsenidden oluşan, yüzeyinde nanometre ölçeğinde oluklar bulunan özel bir yarıiletken ürettiler. Bu yapıya bir lazer demeti yönelttiklerinde, fotonlar ile yarıiletken içindeki uyarılmalar birleşerek «polariton» adı verilen hibrit parçacıklar meydana getirdi.
Oluşan polaritonlar, yarıiletken yüzeyindeki oluklu yapı sayesinde hareket alanları kısıtlandı ve enerji düzeyleri belirlendi. Bu kısıtlama, polaritonların kendi kendine örgütlenmesini sağladı. Fotonlar doğrudan etkileşmeseler de aradaki bu hibrit yapı dolaylı yoldan birbirlerini «hissedebildi.» Böylece ışık parçacıkları arasında bir tür düzen oluştu ve ışık süperkatı bir hal kazandı.
Süperkatı Nedir ve Neden Tuhaf?
Sonuç ne mi oldu? Işık, sıvı gibi akabilen ama aynı zamanda katı bir maddenin şeklini koruyan yeni bir hal aldı. Fizikte bu duruma «süperkatı» adı veriliyor. Süperkatı madde, sıradan bir buz kümesine benzemiyor. Daha çok bal gibi akıp duran, ama aynı anda bir cam gibi şeklini sabit tutan tuhaf bir şey düşünün. Araştırmacılar bu yapıyı «dondurulmuş ışık» olarak tanımlıyor.
Süperkatı halini sıradan katılardan ayıran özellik sürtünmesizliktir. Buz gibi katı bir maddeyi kaydırmak için bir kuvvet uygulamanız gerekir. Süperkatı maddede ise sürtünme neredeyse sıfıra iner. Madde içinden geçen parçacıklar hiçbir dirençle karşılaşmaz. Hem şekil koruyor hem de içinden geçen şeylere karşı tamamen serbest davranıyor. İki zıt özellik aynı yapıda bir arada bulunuyor. Doğada nadir görülen bu fenomen, daha önce yalnızca mutlak sıfıra çok yakın sıcaklıklardaki ultra soğuk atom gazlarında gözlemlenmişti.
İtalyan ekibin keşfinin en çarpıcı yanı, süperkatı halini o ekstrem koşullar gerektirmeden, normal laboratuvar şartlarında elde etmiş olması. Bu da demek oluyor ki süperkatı madde artık yalnızca teorik bir kavram değil, deneysel olarak üretilebilir bir gerçek.
Bu Keşif Neden Fizik İçin Önemli?
Fizik tarihi, maddenin hal değiştirmeleriyle doludur. Su buhar olur, sıvı olur, donar. Bu üç hal çocukluğumuzdan beri biliriz. Daha sonra plazma hali geldi. Şimdi listeye yepyeni bir üye ekleniyor. Işığın katı formu, maddenin temel yapısına dair bildiklerimizi sorgulatıyor.
Kuantum fiziği dünyasında parçacıkların davranışlarını tahmin etmek son derece zor. Hele birden fazla parçacık bir araya geldiğinde işler çığırından çıkıyor. İtalyan ekibin keşfi, bu karmaşık çok parçacık sistemlerini anlama konusunda yeni bir kapı aralıyor. Fotonların nasıl davrandığını görmek, kuantum mekaniğinin kurallarını test etmek için eşsiz bir fırsat sunuyor.
Öte yandan bu çalışma, teorik fizikle deneysel fizik arasındaki kopukluğu tamir ediyor. 1960'larda öngörülen süperkatı madde teorileri, 2017'de ultra soğuk atomlarda ilk kez gözlemlenmişti. Şimdi ise aynı hal ışık kullanılarak laboratuvarda üretilebiliyor. Fizikçiler artık kağıt üzerinde kalan tahminlerini doğrulayabiliyor. CNR Nanotek'ten Antonio Gianfate ve Pavia Üniversitesi'nden Davide Nigro, bu çalışmayla ilgili «Süperkatılığı anlamaya yönelik henüz başlangıçtayız» diyor.
Gerçek Dünyada Ne İşe Yarar?
Laboratuvarda dondurulmuş bir ışık demeti tek başına hayatımızı değiştirmeyecek. Ancak bu keşfin yaratabileceği teknolojik dalgalanma oldukça geniş. İlk akla gelen alan kuantum hesaplama. Günümüzde kuantum bilgisayarları çok hassas çalışır. En küçük sıcaklık değişimi bile hesaplamaları bozabilir.
Işıktan katı madde, kuantum bilgisayarlarındaki bilgi taşıma işini çok daha güvenli hale getirebilir. Fotonlar zaten iletişimde sıklıkla kullanılıyor. Şimdi bu fotonları yapılandırabilmek, kuantum ağlarında veri kaybını dramatik şekilde azaltabilir. Çünkü katı formdaki ışık, çevredeki gürültülerden çok daha iyi korunuyor. Güvenli iletişim protokollerinin geliştirilmesinde bu yapı kritik bir rol oynayabilir.
Buna ek olarak yeni nesil sensörler geliştirilebilir. Işığın katı hale getirilmesi, ışıkla ölçüm yapan cihazların duyarlılığını artırabilir. Tıp alanında daha net görüntüleme teknikleri, iletişim alanında daha hızlı veri aktarımı, hatta uzay araştırmalarında yeni çözümler söz konusu olabilir.
İtalyan ekibin çalışması, malzeme bilimine de yeni bir bakış açısı getiriyor. Geleneksel malzemeler atomlardan ve moleküllerden oluşur. Işıktan yapılan bir katı madde ise tamamen farklı bir yapı sınıfı oluşturuyor. Bu, gelecekte atom yerine foton kullanılan malzemelerin tasarımına zemin hazırlıyor. Danielle Sanvitto'nun on yılı aşkın süredir yürüttüğü bu araştırma hattı, ışığın sıvı gibi davranabileceğini gösterdiği önceki çalışmalardan bugünkü süperkatı aşamasına uzanan uzun bir yolculuğun ürünü.
Işık dondurulduğunda fizik kuralları değişmiyor aslında. Kuralların sınırları genişliyor. İtalyan bilim insanları, doğanın en hızlı ve en görünmez şeyini yakalayıp şekil veren bir yöntem buldular. Bu yöntem bugün bir laboratuvar deneyi olarak duruyor. Yarın ise kuantum teknolojilerinin temel taşı olabilir. Sizce ışıktan yapılmış bir malzemeyle günlük hayatta karşılaşmamıza kaç yıl kaldı?
yorumlar