2016 Nobel Fizik Ödülü maddenin topolojik fazlarının ve faz geçişlerinin teorik keşfini yapan bilim insanlarına gitti. 2016 Nobel Fizik Ödülü’nün yarısı Washington Üniversitesi’nden David J. Thouless, diğer yarısı da Princeton Üniversitesi’nden F. Duncan M. Haldane ve Brown Üniversitesi’nden J.Michael Kosterlitz arasında paylaşıldı.
ABD’de çalışan bu üç İngiliz fizikçinin teorik çalışmaları süperiletkenleri, süperakışkanları ve ince manyetik filmleri içeren maddenin garip durumlarını açıklamaktadır. Maddenin normal durumları size daha tanıdık gelebilir: katılar, sıvılar ve gazlar. Bu durumlar arasındaki geçiş simetri kırılması olarak tanımlanan bir kavram ile karakterize edilmektedir. Örneğin, bir sıvıda, atomlar boşlukta eşit düzenlenmiştir ve nasıl döndürdüğünüzün bir önemi olmadan atomların düzeni aynı görünür. Ancak bir sıvıyı katıya dönüştürdüğünüzde, atomlar bir kristal örgü içerisinde kilitli kalacaktır. Bu maddenin yeni durumu daha az simetriktir ve sadece belirli açılarda döndürdüğünüzde aynı görünecektir. Ancak, Thouless, Haldane ve Kosterlitz maddenin bundan daha fazla ilgi çekici olduğunu buldular. Onların çalışması maddenin yeni fazlarının simetri kırılması olmadan nasıl oluşacağını gösterdi. Bunu açıklamak için matematiksel bir fikri kullandılar. Maddenin bu fazlarını ayıran şey “topolojik özellikleriydi”.
Topoloji yüzeylerin sürekli ve düzgünce nasıl bozulabileceğini tanımlayan matematikle ilgili bir alandır. Topolojiyi çağrıştırabilecek örnekler arasında bir portakalın, bir kruvasanın, bir kahve bardağının ve bir simitin yüzeyi gösterilebilir. Bir matematikçi için, tüm bu cisimler dövülebilir bir malzemeden yapılmış olduğu düşünülür. Yani bu malzeme bir kopma ya da kesme olmadan sürekli bir şekilde şeklini değiştirmeye olanak tanımalıdır. Bu yolla, bir portakal ve kruvasan özdeştir. Çünkü biz bir küre olarak onların her ikisini biçimlendirebiliriz. Benzer olarak bir kahve fincanı ve simit de bir matematikçi için aynıdır çünkü her ikisi de bir deliğe sahiptir (fincanın kulbunda ve simitin ortasında bir delik vardır).
Dolayısıyla soyut anlamda, portakal ve kruvasan ayrı bir sınıfta iken kahve fincanı ve çörek başka bir sınıftadır. Aralarındaki fark yüzeylerinin bir deliğe sahip olup olmadığı noktasına indirgenmektedir. Bu yapabildiğimiz herhangi bir biçimlendirmeye dirençli olan bir cismin topolojik özelliğidir. Thouless, Kosterlitz ve Haldane’in çalışmaları topoloji kavramının madde fazlarında nasıl rol oynadığının anlaşılmasında önemli adımlar atmıştır.
Bu bağlantı bir yüzey olarak çizilebilen malzemelerdeki elektronların işgal ettiği enerjiler göz önüne alınarak ortaya çıkmıştır. 1980’li yıllarda bilim insanları iki boyutlu ince filmlerdeki elektronların güçlü bir manyetik alana maruz kaldıklarında garip bir şekilde hareket ettiklerini keşfetmişlerdi. Bu elektronlar malzemenin kenarında yer alan mükemmel iletken kanalarına spin olarak bilinen bir kuantum mekaniksel özelliğe dayanarak yöneliyorlardı. Dahası, bu iletkenlik manyetik alan arttıkça ayrı adımlarda artıyordu, bu olaya da kuantum Hall Etkisi denilmişti. Thouless ve çalışma arkadaşları bu malzemeler için enerji yüzeyinin topolojik terimlerdeki bir simit olarak tanımlanabileceğini buldular. Görülen enerji kanallarının yüzeydeki deliklerin sayısıyla ilgili olduğunu da buldular. Girdap süperiletkenler ve manyetik malzemelerdeki saklı düzen gibi diğer sistemler üzerine Kosterlitz ve Haldane tarafından yapılan ileri çalışmalar topoloji fikrinin katıların davranışlarını öngörmek için kullanılabileceğini gösterdi.
2016 Nobel Fizik Ödülü’nü alan üç bilim insanının çalışmaları yeni gelişmekte olan alanların temellerini atmıştır. Özellikle, topolojik yalıtkan malzemeler olarak adlandırılan katı hal fiziğinin bir alanı için bu çalışmalar önemli olmuştur. Burada elektriği yüzeyde taşıyan ama iç yapısında taşımayan yeni üç boyutlu malzemelerden söz ediyoruz. Bu malzemelerin enerji yüzeyi de ayrıca topoloji ile tanımlanabilir. Bu malzemelerin çok sayıda spintronik uygulamaları vardır ve bu teknolojiye bağlı olarak gelişen sabit disklerin ana kısımları günümüz endüstrisinde kullanılmaktadır.
Malzemelerin teknolojik uygulamaları sıklıkla onların enerji transferi sonucu uyarıldıklarında nasıl davrandıklarına bağlı olarak ilişkilendirilmektedir. Yakın zamanda çalışılan bir aygıt bir süperiletkenin üs kısmına kat kat koyulan topolojik yalıtkandan yapılmıştır. Süperiletken malzeme düşük sıcaklıklarda sıfır elektriksel dirençli bir malzemedir. Eğer biz bu sistemi doğru şekilde uyarırsak, malzemeler arasındaki arayüzey de uyarılmış olur. Bu uyarılmalar simitteki delik gibi bir topolojik özelliği taşırlar. Bu topolojik özellik uyarılmayı saçabilen gürültü ve kusurlara karşı dirençlidir. Bu topolojik özelliği bir tür sinyal olarak düşünebilirsiniz ve bu özellik saçılmadan, eksilmeden taşınabiliyor. İşte bu olay kuantum hesaplama için potansiyel olarak oldukça kullanışlıdır. Normal bilgisayardaki verinin bitleri 1 veya 0’dır. Ancak bir kuantum bilgisayar kuantum mekaniğe göre durumların üst üste gelebildiği kuantum bitleri kullanır. Kuantum bilgisayarlar ile hesaplamalar çok ama çok hızlı yapılabilir. Ancak bunu yapabilmek için, ticari olarak gelişmesi için dış ortamdan gelen gürültünün engellenmesi gerekiyor. Topolojik malzemelerin uyarılmalarının kullanılmasıyla bu uyarılmalarda kodlanan bilgi korunmuş ve muhafaza edilebilir. Kuantum bilgisayarların geleceğinde maddenin topolojik fazlarını önemli kılan da bu!
Bu makale, TheConversation’da Bath Üniversitesi’nden Dr. Stephen Clark tarafından yayınlanan “Odd states of matter: how three British theorists scooped the 2016 Nobel Prize for Physics” başlıklı makale baz alınarak hazırlanmıştır.
Gökhan Atmaca, MSc.
Takip: twitter.com/kuarkatmaca
İletişim: facebook.com/anadoluca
Referanslar:
http://theconversation.com/odd-states-of-matter-how-three-british-theorists-scooped-the-2016-nobel-prize-for-physics-66517
http://scitation.aip.org/content/aip/magazine/physicstoday/news/10.1063/PT.5.7309
