İlk kez bir zaman kristalinin salınımı filme alındı

Michelle Starr

Fizikçiler, ilk defa esrarengiz bir madde halini kayıt altına aldılar. Tarama iletimli bir X-ışını mikroskobu kullanan araştırma ekibi, oda sıcaklığında magnonlardan* yapılmış bir zaman kristalinin salınımlarını kaydetti. Bilim insanları, bunun zaman kristallerinin incelenmesinde önemli bir atılım olduğunu ifade ediyorlar.

Polonya’da bulunan Adam Mickiewicz Üniversitesi’nden fizikçi Pawel Gruszecki, “Bu tür uzay-zaman kristallerinin ilk düşünülenden çok daha güçlü ve yaygın olduğunu göstermeyi başardık” diyor: “Kristalimiz oda sıcaklığında yoğunlaşıyor ve parçacıklar izole bir sistemin aksine, onunla etkileşime girebiliyor. Ayrıca bu magnonik uzay-zaman kristali, onunla bir şeyler yapmak için kullanılabilecek bir boyuta ulaştı. Bu durum, birçok potansiyel uygulamanın yolunu da açabilir.”

UZAY-ZAMAN KRİSTALİNİN GİZEMİ ÇÖZÜLÜYOR

Kimi zaman ‘uzay-zaman kristalleri’ olarak de adlandırılan ve yalnızca birkaç yıl önce var oldukları teyit edilen zaman kristalleri, isminden de anlaşılacağı üzere büyüleyici şeylerdir. Normal kristallere çok benzerler ama fazladan bir özellikleri mevcuttur.

Normal kristallerde, bileşen atomları sabit ve üç boyutlu bir ızgara yapısındaki bir düzene sahiptir; örneğin bir elmas veya kuvars kristalinin atomik kafesi bu şekildedir. Bu tekrarlanan kafesler yapılanma açısından farklılık gösterebilirler ama belirli bir oluşum içinde çok fazla hareket etmezler: Yalnızca uzaysal olarak tekrarlanırlar.

Zaman kristallerinde ise atomlar bundan biraz daha farklı davranır. Önce bir yöne, sonra diğerine dönerek salınırlar. ‘Tıklama’ olarak adlandırılan bu salınımlar düzenlidir ve belirli bir frekansa sabitlenmiştir. Yani, normal kristallerin yapısı uzayda tekrarlanırken, zaman kristallerinde uzay ve zamanda tekrar eder.

Bilim insanları, zaman kristallerini incelemek için genellikle magnon kuasipartiküllerinin** aşırı soğuk Bose-Einstein yoğuşmalarını kullanırlar. Magnonlar gerçek parçacıklar değildir ve elektronların dönüşünün toplu biçimde uyarılmasından oluşurlar; bir ‘spin’ (dönüş) kafesi boyunca yayılan bir dalga gibidirler.

SALINIM PERMALLOY ŞERİDİ SAYESİNDE KEŞFEDİLDİ

Gruszecki ve Almanya’daki Max Planck Akıllı Sistemler Enstitüsü’nde fizik bölümünde doktora öğrencisi olan meslektaşı Nick Träger öncülüğündeki araştırma ekibi, farklı bir şey denediler. Bir anten üzerine radyofrekans akımı gönderebilecekleri bir manyetik permalloy*** şeridi yerleştirdiler.

Bu akım, manyetik dalgaların her iki uçtan şerit üzerinde hareket ettiği, salınan bir manyetik alan üretti; ortaya çıkan dalgalar şeritteki magnonları uyardı ve bu hareketli magnonlar daha sonra tekrarlayan bir desende yoğunlaştı.

Träger, “Uzay ve zamanda düzenli biçimde tekrarlanan magnon desenini aldık, daha fazla magnon gönderdik ve en sonunda dağıldılar” diyor. “Bu yolla, zaman kristalinin diğer kuasipartiküller ile etkileşime girebileceğini ortaya koymayı başardık. Bir videoda göstermek şöyle dursun, henüz hiç kimse bunu bir deneyde bile doğrudan gösterememişti.”

Yukarıdaki videoda, Almanya’da bulunan Helmholtz Zentrum Berlin’deki BESSY II senkrotron radyasyon tesisinde MAXYMUS X-ışını mikroskobu kullanılarak saniyede 40 milyar kareye kadar fotoğrafı çekilen manyetik dalga cephesinin şerit boyunca yayılışı görülüyor.

İLETİŞİM VE GÖRÜNTÜ TEKNOLOJİLERİNDE ÇIĞIR AÇABİLİR

Zaman kristalleri uzun zaman periyotları boyunca istikrarlı ve tutarlı olmalıdır çünkü teorik bağlamda mümkün olan en düşük enerji durumunda salınırlar. Ekibin gerçekleştirdiği araştırma, uyarılan magnonik zaman kristallerinin kolayca manipüle edilerek onları yeniden yapılandırmanın yeni bir yolunun bulunduğunu gösteriyor. Bu durum, maddenin halini bir dizi pratik uygulamaya da açabilir.

Max Planck Akıllı Sistemler Enstitüsü’nden fizikçi Joachim Gräfe, “Klasik kristaller çok geniş bir uygulama alanına sahiptir” diyor: “Eğer kristaller sadece uzayda değil zamanda da etkileşime girebiliyorsa, şimdi olası uygulamalara başka bir boyut daha ekliyoruz. İletişim, radar veya görüntüleme teknolojisi alanlarında çok büyük bir potansiyel içeriyor.”

*Bir magnon, bir kristal kafeste elektronların spin (dönüş) yapısının kolektif bir uyarımı olan bir kuasipartiküldür. Magnonlar sabit miktarda enerji ve kafes momentumu taşırlar.(ç.n.)

**Fizikte, ‘kuasipartiküller’ ve yakından ilişkili olan kolektif uyarımlar, katı benzeri ve mikroskobik açıdan karmaşık bir sistemin vakum ortamında farklı zayıf etkileşime giren parçacıklar içeriyormuş gibi davranmasıyla ortaya çıkan ani ve beklenmedik olaylardır. Örneğin, diğer elektronlarla ve atom çekirdekleriyle yaşadığı etkileşimler nedeniyle, bir elektron yarı iletkenden geçerken hareketi karmaşık bir şekilde bozulur. Elektron, vakumda bozulmadan seyahat eden farklı bir etkili kütleye sahipmiş gibi davranır.(ç.n.)

***Permalloy, yaklaşık yüzde 80 nikel ve yüzde 20 demir içeriğine sahip bir nikel-demir manyetik alaşımdır. 1914 yılında Bell Telefon Laboratuvarlarında fizikçi Gustav Elmen tarafından icat edilen bu alaşım, çok yüksek manyetik geçirgenliği ile dikkat çeker ve bu durum onu elektrikli ve elektronik ekipmanlarda manyetik çekirdek malzemesi olarak ve ayrıca manyetik alanları bloke etmek için manyetik korumada kullanışlı kılar. (ç.n.)

Yazının orijinali Science Alert sitesinden alınmıştır. (Çeviren: Tarkan Tufan)