Maddenin İmkansız Yeni Hali: Süperkatılar

Bilim insanları, maddenin bu tuhaf halinin neredeyse 50 yıl önce var olabileceğini öngörmüşlerdi, fakat şimdiye kadar kimse bunun gerçekten mümkün olabileceğini gösterememişti. Şimdi ise fizikçilerden oluşan iki bağımsız ekip, aynı tuhaf sonuca ulaşmak için farklı teknikler kullandılar ve süperkatı maddenin ilk örneklerini ürettiklerini iddia ettiler.

Elbette bu deneylerin, maddenin süperkatı halini su götürmez bir biçimde ispatladığı üzerinde kuşkular var, özellikle 2004 yılında yapılmış benzer bir iddianın çürütülmüş olduğu da göz önünde bulundurularak. Fakat bu sefer, süperkatıların gerçekten var olabileceğine dair ciddi kanıtlar var.

Bu halin ne kadar tuhaf olduğunu hayal edemeyenler için açıklamak gerekirse; bir “süperkatı”, maddenin bir sıvı gibi akarken, aynı anda bir katının kristalize yapısına sahip olduğu alışılmadık bir halidir. Bu da, geleneksel fiziğe oldukça aykırı bir durumdur.

Genellikle madde 4 temel halde bulunur: katı, sıvı, gaz ve plazma. (Maddenin ayrıca yeni keşfedilen ve zaman kristali adı verilen yeni bir hali daha mevcuttur.) Bu haller sıcaklık ve basınç gibi koşullara bağlı olarak oluşur ve maddenin içerisindeki parçacıkların dizilişiyle tanımlanırlar.

Maddenin süperkatı haliyle ilgili tuhaf olan şey; parçacıkların sert ve katı bir yapıda düzenlenmiş olması, fakat aynı zamanda maddenin, “süper akışkanlar”a ait anahtar bir özellik olan bir akışkanlığa veya “yapışkanlığa” sahip olmadan akabilmesidir.

Ekiplerden birinin lideri, MIT’den Wolfgang Ketterle; “Bir malzemenin süperakışkanlığı ve katılığı bir arada bulundurması sezgilere aykırı bir durum. Eğer kahveniz bir süperakışkansa ve onu karıştırırsanız, sonsuza dek kendi kendine karışmaya devam eder” diye anlatıyor.

Süperkatılar ilk defa 1969 yılında Rus fizikçiler tarafından öngörüldü. Rus fizikçiler, Helyum-4 izotopunun belirli koşullar altında aynı anda katı ve sıvı özellik gösterebileceğini düşünmüşlerdi.

Araştırmacılar çok uzun bir süre boyunca böylesi bir yapıyı oluşturmanın imkansız olacağını varsaydılar, fakat bu onları denemeye devam etmekten alıkoymadı.

2004 yılı ise, bir kırılma noktasıydı. Pennsylvania Eyalet Üniversitesi araştırmacıları helyumu, mutlak sıfır noktasının derecenin onda biri kadar üzerinde bir değere (yaklaşık -273 °C) kadar soğuttular ve tesadüfen maddenin süperkatı olabilecek bir haliyle karşılaştılar. Ekip, gerçekten bir süperkatı madde yaptıklarını söyleyecek kadar cesur değildi. Görünüşe göre çok ince bir sıvı tabakasının konteyner içerisine sızıp, sonuçları bozmuş olabileceği olasılığını göz ardı edemediler.

Takip eden 10 yıl içerisinde yapılan birkaç deney, helyum-4 izotopunun belirli koşullar altında süperkatılığın herhangi bir şekilde neden olmadığı “kuantum esnekliğine” sahip olduğunu göstererek, bir süperkatının üretilmiş olduğu düşüncesini çürüttü.

Bilim camiasının büyük bir kısmı, 2004’teki örneğin gerçek bir süperkatı örneği olmadığında karar kıldı ve geçen birkaç yılda bilim, bu konu hakkında oldukça sessiz kaldı.

Fakat geçtiğimiz kasım ayında, bir değil, iki farklı bağımsız ekip yazdıkları makalelerde, laboratuvarda süperkatılar üretmeyi başardıklarını duyurdular. Massachusetts’deki MIT ve İsviçre’deki ETH Zurich’teki araştırmacıların farklı işlemler gerçekleştirmiş olmalarına rağmen, her iki ekip de süperkatıları üretebilmek için, “Bose-Einstein yoğunlaşması” olarak da bilinen tuhaf bir gaz türünü kullandı.  Bose-Einstein yoğunlaşması, atomların dalgalar gibi davrandığı aşırı soğuk sıcaklıklarda meydana gelen, maddenin 5. halidir. Kendisine ait benzersiz özellikleri vardır fakat süperkatıları oluşturabilmek için Bose-Einstein yoğunlaşmış maddesini kullanmanın iyi tarafı, halihazırda süperakışkan olmasıdır, dolayısıyla işin yarısı tamamlanmış demektir.

Ekipler bu aşırı derecedeki soğuk gazları aldılar ve maddenin bir katı gibi sert yapıya, aynı zamanda bir süperakışkan gibi akma yeteneğine sahip bir kuantum haline sokmak için kısmen farklı teknikler kullandılar. Ekipler bulgularını arXiv.org sayfalarında çevrimiçi olarak, ardından hakemli Nature dergisinde yayımlayarak, süperkatıların gerçek olduğuna dair önemli kanıtları bilim dünyasına sundular.

İsviçreli araştırmacılar küçük bir miktar rubidyum gazını aldılar, vakum bölgesine koydular ve mutlak sıfır sıcaklığının 1 Kelvin’in birkaç milyarda biri kadar üzerinde bir sıcaklığa kadar soğuttular, böylece rubidyum gazının Bose-Einstein yoğunlaşmış haline ulaşmalarını sağladılar. Daha sonra yoğunlaşmış maddeyi, her biri karşılıklı minik aynalar barındıran iki optik rezonans bölmesine sahip cihaza yerleştirdiler. Lazerleri kullanılarak, parçacıklar bir katının göstergesi olan düzenli, kristal benzeri bir yapıya sahip oldular. Fakat yoğunlaşmış malzeme, süperakışkan özelliklerini de korumaya devam etti. Herhangi bir enerji girdisi olmadan akabilme yeteneğine sahiplerdi, ki bu da normal bir katı için imkansızdır.

ETH Zurich’teki ekipte yer alan Tillman Esslinger; “Atomlar için özdeş iki rezonans odası yapmamıza olanak sağlayan karmaşık deney düzeneğimiz sayesinde, laboratuvarda maddenin bu özel halini üretmeyi başarabildik” diye anlatıyor.

MIT ekibi farklı bir yaklaşımda bulundu. Sodyum atomlarını Bose-Einstein yoğunlaşmış haline getirebilmek için buharlaşmalı soğutma yöntemleri ve lazerlerin bir birleşimini kullandılar. Ardından, atomlarda yoğunluk farklılıkları yaratarak, atomların kristalize katı düzene girmelerini sağlamak için lazer kullandılar. Süreç farklı olmasına rağmen, sonuç İsviçreli ekibinkiyle aynıydı. Bir süperakışkan gibi akabilen katı bir madde.

Aslında, sonuçların aynı anda iki farklı ekip tarafından doğrulanması, süperkatıların gerçek olduğu fikrini daha da sağlamlaştırıyor.

Araştırmada yer almayan, New York Şehir Üniversitesi’nden Sarang Gopalakrishnan; “Bu kesinlikle bir sisteme bakıp, aynı anda hem katı hem de süperakışkan olduğunu söyleyebildiğiniz ilk olay” yorumunu yapıyor.

Ekiplerin süperkatı halini oluşturmak için helyum-4 yerine, Bose-Einstein yoğunlaşmasını kullanmalarının, “hile yaptıkları” şeklinde görülebileceği üzerine tartışmalar var. Fakat yine de bu, süperkatıların var olduğuna dair elimizdeki kesinlikle en su götürmez kanıt.

Peki, maddenin bu yeni potansiyel hali, normal insanların ne işine yarayacak? Şimdilik, pek fazla bir şey yok. Aslında bu maddelerin sadece oldukça yüksek vakum ve aşırı derecede soğuk koşullar altında var olabilmesi, şimdilik fazla kullanışlı olmadıkları anlamına geliyor. Fakat maddenin bu tuhaf halini daha iyi anlamak, elektriği dirençle karşılaşmadan iletebilen ve muazzam derecede kullanışlı malzemeler olan süperiletkenlerde gelişime  yol açabilir.

“Soğuk atomlarımız yardımıyla, doğada nelerin mümkün olabileceğini açığa çıkarıyoruz. Süperkatıların gerçek olduğunu öne süren kuramları doğrulamış bulunmaktayız. Bunun gelecekte, beklenmedik sonuçları olan yeni araştırmalara ilham kaynağı olacağını umuyoruz” diye anlatıyor Ketterle.

Her iki ekibin süperkatıları ürettiklerine dair iddialarını aynı anda yapmaları, birbirlerine rakip oldukları gibi görünmesine karşın, gerçekte her iki ekip de birbirlerini doğrulamaktan ve birbirlerinden geri dönüş almaktan oldukça memnun.

“İki farklı ekibin eşzamanlı olarak aynı şeyi bulması, maddenin bu yeni haline ne kadar ilgi duyulduğunu gösteriyor” diye ekliyor Ketterle.

Kaynak
*Bilimfili - "Maddenin İmkansız Yeni Hali: Süperkatılar"
https://bilimfili.com/maddenin-imkansiz-yeni-hali-superkatilar/

İleri Okuma
http://www.nature.com/nature/journal/v543/n7643/full/nature21431.html