Işık gündelik yaşantımızda hayati bir rol oynar ve ışık temelli teknolojiler etrafımızı sarmıştır. Bu yüzden bizim için ışık hakkında anlayışımızın yeterli olduğu düşünülebilir. Fakat bilim insanları ışığın yeni bir temel özelliğini henüz keşfettiler. Üstelik bu keşif 150 yıllık klasik elektromanyetizma teorisine yeni bir bakış açısı sunuyor: nanoölçekte ışığı manipüle eden uygulamalar gibi.
Science dergisinde yayınlanan bu çalışmada, araştırmacılar fiziğin en saygıdeğer denklemlerinden biri yani James Clerk Maxwell’in ünlü ışık teorisi ile modern katıhal fiziğinin en sıcak konularından birini bir araya getirdiler: kuantum spin Hall etkisi ve topolojik yalıtkanlar. Ama konuyu açıklığa kavuşturmak için önce kuantum spin Hall etkisini elektronlar üzerinde inceleyelim.
Elektronlar bir öz spine sahiptir ve bu spin kuantum mekaniksel bir özelliktir. Elektron sadece iki spin yönelimine sahiptir: spin yukarı ya da spin aşağı. Ancak spinin fiziksel büyüklüğü her zaman aynıdır.
Belirli malzemelerde, elektron spini elektronların hareket yolu üzerinde büyük bir etkiye sahip olabilir. Bu etki spin-yörünge çiftlenmesi olarak adlandırılır. Bu etkiyi futboldan örnek vererek açıklamak mümkündür. Futbolda serbest vuruş için hazırlanan bir futbolcu önündeki barajdan topu aşırıp kaleye göndermek için topu kavisli göndermeye çalışabilir. Yani barajdan topu geçirmek ve kaleciyi şaşırtmak için top hareketi sırasında verilen kavise göre -bu durumda spine- sağ ya da sola doğru kayarak kaleye yönlenebilir. Spinlerin de elektronlar üzerindeki etkisi buna benzerdir. Dolayısıyla, spin-yörünge çiftlenmesi elektronlar hareket ettikçe spine bağlı olarak sapmalarına neden olur.
Normal bir elektrik akımı hareket eden spin-yukarı ve spin-aşağı elektronların eşit miktardaki karışımından oluşur. Spin-yörünge etkisinden dolayı, spin-yukarı elektronlar bir yöne sapacakken, spin-aşağı elektronlar başka bir yöne sapacaktır. Eninde sonunda bu sapan elektronlar malzemenin kenarına ulaşacaktır ve daha ileriye gidemeyecektir. Spin-yörünge çiftlenmesi böylece malzemenin zıt taraflarında farklı spinlerde elektronların birikmesine yol açacaktır.
Bu etki klasik spin Hall etkisi olarak bilinir ve kuantum mekaniği üzerine çarpıcı bir kıvrım ekler. Bu hareket eden elektronların kuantum mekaniksel dalga doğası onların malzemenin kenarları boyunca düzgün kanallar içinde olmasını düzenler. Malzemenin toplamında net bir spin yoktur ama her bir kenarda tam olarak iki elektron taşıyıcılı kanal oluşmuştur: biri spin-yukarı elektronlar ve diğeri spin-aşağı elektronlar. Bu kenar kanalları başka bir dikkat çekici özelliği içinde barındırır: bu kanallarda hareket eden elektronlar genellikle direnç ve enerji kaybına neden olan bozukluk ve kusurlardan etkilenmezler.
Spinleri farklı elektronların bu hassas düzeni, mükemmel iletken kanallar “topolojik bir yalıtkan”ın klasik bir örneği olan kuantum spin Hall etkisi olarak bilinmektedir. Topolojik yalıtkan ise içinde elektriksel olarak yalıtkan ama yüzeyinde elektrik iletebilen malzemelere denir. Böyle malzemeler maddenin temel ayrı bir organizasyonunu temsil eder ve spintronik uygulamalarının önünü açar. Bu teknoloji temelli sabit disklerin okuma başlıkları günümüz endüstrisinde kullanılmaktadır.
Buraya kadar anlattıklarımız elektron parçacığı üzerinde görülen kuantum spin Hall etkisinin bir özetiydi. Şimdi bu yeni araştırmaya göre bu egzotik kuantum Hall etkisi ışıkla birlikte etrafımızı sarmış gibi görünüyor.
Modern fizikte, madde hem dalga hem de bir parçacık olarak tanımlanabilir -bunu de Broglie Hipotezi başlıklı yazımızda konu etmiştik. Maxwell’in teorisinde ise ışık bir elektromanyetik dalgadır. Bu ışığın elektrik ve manyetik alanların senkronize olmuş bir salınımı olarak hareket ettiği anlamına gelir. Dalga ilerledikçe bu alanların döndüğünü göz önüne alırsak, araştırmacılar dalganın “ters spin” adı verilen bir özelliğini tanımlayabilmişlerdi. Bu ters spin kuantum spin Hall etkisinde elektron spini rolünü oynar.
Hava gibi homojen bir ortamda bu spin tam olarak sıfırdır. Ancak, iki farklı ortamın arayüzeyinde dalgaların karakteri çarpıcı olarak değişir ve bir ters spin şekillenir. Bu spinin doğrultusu arayüzeydeki ışık dalgasının hareket doğrultusuna hassas olarak kilitlenir. Böylece, doğru bir şekilde incelendiğinde, biz elektronlar için bildiğimiz kuantum spin Hall etkisinin temel topolojik bileşenlerini ışık dalgalarının da paylaştığını görürüz.
Bu ışığın spini ve yüzeylerde ışığın ilerleme doğrultusu arasındaki çiftlenmeyi gösteren yüksek-profil deneyler dizisinden dolayı önemlidir. Bu yeni çalışma bu tür deneylerin bütünleştirici bir yorumunu verir. Yani ışığın öz kuantum spin Hall etkisini ortaya çıkarır. Bu sonuç yüzeylerdeki dalgaların davranışının belirli bir evrenselliği olduğuna işaret ediyor. Bu dalgalar kuantum mekaniksel elektron dalgaları veya Maxwell’in klasik ışık dalgaları olabilir.
Spin-yörünge etkisini kullanmak nanometre ölçeğinde ışığın kontrolü için yeni olanakların önünü açacaktır. Örneğin, bilgisayar performansını artırmanın bir yolu olarak görülen optik bağlantılarda spin-yörünge etkisi spin temelli optik sinyallerin hızlıca yeniden yönlendirilmesi için kullanılabilir. Bu keşif optik haberleşmede, metroloji ve kuantum bilgi işlemde çeşitli uygulamaları ile ilgi çekici olacaktır.
Bu yazı, The Conversation’da Hull Üniversitesi’nde fizikçi Clive Emary tarafından kaleme alınan “Scientists discover fundamental property of light – 150 years after Maxwell” başlıklı makalesinden yararlanılarak hazırlandı.
Gökhan Atmaca, Bilim Uzmanı (MSc.)
Takip: twitter.com/kuarkatmaca
İletişim: facebook.com/anadoluca
