Nature Physics dergisinde 2016’nın Aralık ayında, Liesbeth Venema ve çalışma arkadaşları tarafından yayınlanan “The quasiparticle zoo” başlıklı makalede quasiparçacıklar çok cisim fizik problemlerinde karmaşık olgulara daha sezgisel anlayış sağlayan son derece yararlı bir kavram olarak tanımlanıyor. Özellikle yoğun madde fiziğinde quasiparçacıklar ile karşılaşsak da plazma fiziği, akışkanlar mekaniği gibi fiziğin farklı dallarında bu kavram kullanılmaktadır. Çünkü bu quasiparçacık kavramı kuantum mekaniksel çok cisim probleminin basitleştirilmesinde bilinen birkaç yoldan biridir. Bu yol, katı gibi mikroskobik karmaşık bir sistem serbest uzayda farklı sayıda zayıfça etkileşen parçacıklar içeriyor gibi davrandığında oluşan “beliren olguyu” tanımlamak için kullanılır. Başka bir deyişle, bu kavram fizikçilere çok cisim etkileşmelerini tek bir parçacık gibi davranıyormuşçasına tanımlama yapmalarına izin verir. Yarıiletken fiziği alanında çalışan fizikçiler elektronların yanı sıra katı içerisindeki elektron quasiparçacıklarından bahsederler. Bu tür bir quasiparçacık olan elektron katıdaki etkileşmelerden, potansiyellerden ve diğer kuvvetlerden etkilenir. Bu etkilenme sonucu kütlesi serbest elektronunkinden farklıdır. Her malzemede, bu malzemeye uygun bir etkin kütleye sahip elektron quasiparçacığı tanımlanır. Ancak diğer özellikleri aynıdır, yükü ve spini gibi. Aynı şekilde, katı malzemelerde, değerlik bandı içinde bir elektron eksikliği varsa bu durum elektron deşiği adı verilen bir quasiparçacık ile açıklanır. Elektrondan farkı ise yükünün negatif yerine pozitif olmasıdır. Aynı şekilde kütlesi de tıpkı elektron quasiparçacığı gibi bir yarıiletken kristal örgüsündeki etkileşmelere göre değişiklik gösterir. Bu yaklaşım, bu quasiparçacık kavramı günümüz elektroniğin temelini oluşturan yarıiletkenlerin fiziğini anlamamızda ve onlar üzerinden teknoloji geliştirmemizde oldukça yararlı olmuştur. Bu “The quasiparticle zoo” makalesinde yapılan tanımın ne kadar doğru olduğunu da gösterir. Bilimde ilerleyiş sürüyor ve yeni öngörüler ile yeni keşifler gerçekleşiyor. İki yıl önce ilk kez teorik olarak öne sürülen angulon adı verilen yeni bir quasiparçacığın varlığına dair güçlü bir kanıt bulunmuş gibi görünüyor. Angulon bir çözücüdeki bir atomik veya moleküler safsızlığın dönmesini açıklamak için öne sürülmüştü. Physical Review Letters dergisinde Mikhail Lemeshko tarafından yayınlanan makalede, angulonların varlığı sıvı helyumdaki dönmekte olan farklı aralıktaki moleküllerin tuhaf davranışını açıklamak için gösterilmiştir.
Lemeshko’nun çalışmasının detaylarına geçmeden önce, Physics World‘de verilen bir bilgi notuna öncelikle değinmek istiyorum. Tıpkı quasiparçacıklarda olduğu gibi Türkçe internette hakkında bilgi bulmanın zor olduğu polaron quasiparçacıklara değinilmiş, ben de hakkında bir şeyler belirtmek isterim. Çünkü bu konular, haklarında onlarca kitabın ve çok sayıda makalenin yazıldığı konular. Aynı zamanda angulonları anlamaya çalışırken polaronların nasıl öne sürüldüğü güzel bir örnek olacak. 1930 ve 1940’lı yıllarda, fizikçiler quasiparçacıklar üzerine çalışmalar gerçekleştiriyorlardı. Bunlardan biri 1933’te Lev Landau ve Solomon Pekar’ın bir katı içinde yer alan bir elektronun kristal örgü boyunca hareketi sırasında etrafındaki pozitif iyonlarla etkileşimi neticesinde bu elektronun davranışını açıklamak için polaron fikrini öne sürmüşlerdi. Pozitif iyonlar negatif yüklü bir taşıyıcı olan elektronu hafifçe çekme eğilimi içinde olacaktır. Aynı zamanda iyonların konumlarında hafif değişimler de olur, bu değişimler yüklü parçacıkla olan etkileşimleri ve iyonları bir arada düzenli yerlerde tutan kuvvetleri dengelemek için gerçekleşir. Yani elektronun hareketi iyonlar arasında bir düzensizliğe yol açar ve bu düzensizlik kristalin bu bölgesinde (elektronun hareketinin olduğu yer) polarizasyon (kutuplanma) ile sonuçlanır. Buna indüklenmiş polarizasyon diyebiliriz ve bu indüklenmiş polarizasyon elektronun kristal örgü içindeki hareketini takip edecektir. Elektron nereye giderse o da peşindedir yani. Bu birlikteliği tek bir varlık olarak düşünerek, bunu bir polaron olarak adlandırmak cazip geldi. Çünkü sürecin tam olarak tanımlanması çok sayıdaki atom ve elektron arasındaki değişen etkileşimleri hesaplamakla mümkün olacaktı. Ne var ki, bu basitleştirilmesi gereken bir kuantum mekaniksel çok cisim problemiydi. Landau bu sürecin elektron ve polarizasyon birlikteliğinin serbest uzay boyunca hareket eden elektrondan daha kütleli tek bir parçacık gibi davrandığı konusunda bir yaklaşım yapılabileceğinin farkına vardı. Bu tanım bugüne değin dielektrik kristallerdeki elektron hareketinin açıklanmasında kullanılagelmiştir.
Viyana’daki Avusturya Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’nden Mikhail Lemeshko bir süperakışkan helyum damlası içindeki çok sayıda atomla etkileşen dönen bir molekülün toplu hareketini ele aldı. Bilim insanları için bu tür damlalar mutlak sıfırın biraz üzerinde tek molekülleri inceleme ve bir bozulma olmaksızın onların tayfını kaydedebilme olanağı sağlar. Bu durum özellikle serbest radikaller gibi çok aktif moleküllerin incelenmesinde kullanışlıdır.
Yine bir parantez açarak süperakışkanlığın kısa bir tanımını vermem gerekiyor. Süperakışkanlık sıfır viskoziteye (akmazlık) sahip bir akışkanın karakteristik özelliğidir. Sıfır viskoziteden dolayı akışkan kinetik enerji kaybı olmadan akar. Süperakışkanlık daha çok helyum ile bilinse de ultrasoğuk atom gazlarında da gözlenebilir. Ayrıca nötron yıldızları içinde de süperakışkanlığın var olduğuna dair bazı çalışmalar var. Bununla birlikte, süperakışkanlığın helyumda gözlenmesi onun 2.17 K gibi kritik bir sıcaklığa soğutulmasıyla mümkün olmaktadır. Bu sıcaklıkta ve daha düşük sıcaklıklarda, ısı kapasitesinde olağanüstü bir süreksizlik oluşur ve sıvı yoğunluğu düşer. Ardından sıvı sıfır viskoziteye sahip olur, süperakışkana dönüşür ve süperakışkanlık mümkün olan en düşük enerjiye yoğunlaşan helyum atomlarından meydana gelir.
Lemeshko’nun incelediği sistem tuzaklanan bir molekülün döndükçe kendi etrafında süperakışkan olmayan helyumdan bir kabuk ürettiği var sayılarak yarı klasik olarak incelenebilir. Ancak süperakışkan helyum Bose-Einstein istatistiği ile tanımlanabilen temel bir kuantum mekaniksel malzemedir. Geçtiğimiz yıllarda fizikçiler tarafından bu sistemin nümerik simülasyonları gerçekleştirildi ve çok cisim etkileşimlerinin karmaşıklığı bu simülasyonlardaki helyum atomlarının sayısı olarak 100 ile sınırlı tutuldu. Ne var ki deneylerde kullanılan damlalar 1000’den fazla atomu içerme eğiliminde. Dolayısıyla bu sistemin doğasını anlamak için gerçekçi bir simülasyon gerçekleştirmek zor. Şimdi quasiparçacıkların nasıl kullanışlı olduklarını bir daha görme vakti. Çünkü Lemeshko angulon kavramını kullanarak problemi oldukça basitleştirebileceğini buldu. Bir polaron nasıl sadece örgü etrafındaki bozulmalar ve elektrondan oluşuyorsa, bir angulon da dönen molekül ve bu dönen molekülün etrafındaki helyumda oluşturduğu “rahatsızlıklardan, bozulmalardan” oluşabilirdi. Bir polaron elektronun serbest hareket eden ama daha kütleli bir versiyonu iken angulon da tıpkı bir molekülün tuzaklanmamış ama daha büyük eylemsizlik momentine sahip versiyonu gibi davranır.
ABD’deki Harvard-Smithsonian Astrofizik Merkezi’nden Richard Schmidt 2015 yılında angulonlar teorisini ortaya koymuştu. Şimdi Lemeshko bu teoriyi 20 yıllık deneysel sonuçlarla kıyasladı. Her bir 25 farklı molekül için moleküllerin dönme sabiti üzerine etraflarındaki helyum atomlarının etkisi hesaplandı. Sonra elde edilmiş deneysel sonuçlarla angulonların var olduğu duruma göre yapılan hesaplamalarla elde edilen değiştirilmiş yeni sabitler üzerinden kıyaslamalar yapıldı.
Hesaplamalar ve kıyaslamalar, öylesine basit bir işlem olmadığı için moleküler dönmeyi açıklayan basit analitik ifadeler elde etmek adına angulon problemi iki rejimde çözüldü. Rejimin biri helyumla önemli çiftlenim yapan ama kinetik enerjisi az olan moleküllerin dahil olduğu sülfür atomlarını içeren ağır moleküller için uygulanabilir, diğer rejim ise zayıf çiftlenimli, kinetik enerjisi büyük olan su gibi daha hafif moleküller için uygulanabilir şekilde ayrıldı.
Bütün güçlü çiftlenim rejimi için olmasa da Lemeshko çoğu ağır moleküller için elde ettiği hesaplamalar deneylerle iyi bir uyum içerdi. Bu uyum, çoğu hafif molekülleri içeren zayıf-çiftlenim rejiminde daha yüksek olarak elde edildi. Bunların hepsi angulonların uygulanabileceğine dair aşılan birer engeldi. Ancak bazı orta boylu moleküller için hesaplamalarla değiştirilen dönme sabitleri deneylerle uyumlu sonuç vermedi. Bunun üzerine Lemeshko, angulonlar için bir ara-çiftlenim teorisinin daha iyi öngörüler sağlayabileceğini makalesinde belirtti.
Bu problemlere karşın bu makalede, Lemeshko elde ettiği bulguların süperakışkan helyum içinde dönen moleküllerin angulonları gerçekten de oluşturduğuna dair güçlü kanıt sağladığı sonucuna varıyor.
Lemeshko bu teorisini sıvı helyumdaki moleküllerin ötesine de uygulamayı düşünüyor. Angulonların yörüngesel açısal momentumunu bir kristal örgü ile değiştiren elektronları temsil edip edemeyeceğini araştırıyor. Eğer bunu kanıtlayabilirse, “elektron angulonlar”ın önü açılmış olacak. Physics World’e göre bunu yaparken ultrahızlı anahtarlama ve ileri veri depolamanın geliştirilmesini amaçlayabilir. Ancak bu araştırmasının daha başlarında olduğunu belirtmiş.
Angulonlar hakkında son çalışmaları irdelerken quasiparçacıklar ve polaronlar hakkında birer tanım yapmış olduk. Quasiparçacıkların özellikle yoğun madde fiziğinde nasıl anlayışlar sağladığı konusunda biraz da fikir vermiş olduk. Daha fazla bilgi için referanslarda yer alan bazı makale ve internet sitelerini inceleyebilirsiniz.
Gökhan Atmaca, MSc.
Takip: twitter.com/kuarkatmaca
İletişim: facebook.com/anadoluca
Referanslar:
M. Lemeshko, “Quasiparticle Approach to Molecules Interacting with Quantum Solvents“, Phys. Rev. Lett. 118, 095301 (2017).
Edwin Cartlidge, Meet the ‘angulon’, a new quasiparticle found in superfluid helium, Physics World, Mart 2016
L. Venema et al., “The quasiparticle zoo“, Nature Physics 12, 1085–1089 (2016)
https://en.wikipedia.org/wiki/Quasiparticle
https://en.wikipedia.org/wiki/Polaron
http://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/jres/74A/jresv74An4p537_A1b.pdf
https://en.wikipedia.org/wiki/Superfluidity
http://nanoscale.blogspot.kr/2009/01/what-is-polaron.html
