Finlandiya'da bulunan Aalto Üniversitesi ve ABD'de bulunan Amherst Kolej bilimcilerinin çalışmaları sonucunda, kuantum maddedeki düğümlerin ilk deneysel gözlemi yapılarak, bulgular Nature Physics dergisinde yayımlandı. Araştırmacılar, süperakışkan atomlarının gazını tanımlayan kuantum mekaniksel alanda (Bose-Einstein yoğuşuk maddesinde) düğümlü tekil dalgalar, yani düğüm solitonları yarattı.

Düğümlü iplerin tersine, yaratılan bu kuantum düğümler uzayın her noktasında belli bir yön varsayan bir alanda varoluyor. Alan sonsuz sayıda bağlantılı halkalara bölünüyor ve her birinin kendi alan yönü oluyor. Ortaya çıkan yapı topolojik açıdan durağan (İng. stable) olduğundan, halkalar kırılmadan ayrılamıyorlar. Başka bir deyişle, kuantum maddenin durumunu yok etmeden süperakışkan içindeki düğümler çözülemiyor.

"Bu keşif için, bir Rubidyum yoğuşuk maddeyi, saniyenin binde birinden kısa sürede düğüm atan özel olarak biçimlendirilmiş bir manyetik alandaki hızlı değişimlere maruz bıraktık. İlk kuantum düğümü nasıl bağlayacağımızı öğrenişimizin ardından, bu işte epey iyi duruma geldik. Şimdiye dek birkaç yüz tane böyle düğüm atmış durumdayız," diyor Amherst Kolej'den Prof. David Hall.

Bilimciler, yapıyı dış uçlarından sıkıştırarak yoğuşuk madde biçimine sokmak yoluyla düğüm atmış. Bunun için ilk başta kuantum alanın belli bir yönü işaret etmesini sağlayıp, ardından da uygulanan manyetik alanı aniden değiştirmeleriyle, yalıtılmış bir boş (manyetik alanın kaybolduğu) noktayı bulutun merkezine getirmeleri gerekmiş. Bundan sonra da bir milisaniyeden az bir süre içinde manyetik alanın sihiriyle düğümün atılmasını beklemişler.

"Onlarca yıldan beri fizikçiler kuantum alanlarda düğümler atabilmenin mümkün olması gerektiğini kuramsal olarak öngörüyorlardı. Fakat hiç kimse şimdiye dek bunu başaramamıştı. Biz bu egzotik canavarları görmekten ve onların tuhaf özelliklerini incelemekten dolayı çok heyecanlıyız. En önemlisi de, keşfimiz evrenbilim, füzyon gücü ve kuantum bilgisayarlar da dahil olmak üzere çok çeşitli araştırma alanlarını birbirine bağlıyor," diyor ekip lideri Mikko Möttönen.



Düğüm, binlerce yıldır insan medeniyetleri tarafından kullanıldı ve revaçta oldu. Denizcilikte ve dokumacılıkta kilit rol oynamasının yanısıra antik İnka uygarlığı tarafından "quipu" adı verilen bir bilgi depolama yönteminin temelinde bulundu. Çağımızda ise her ne kadar kuantum dinamik içerisinde görünmez kalsa da, doğanın kuantum mekaniksel kökeninde düğümlerin önemi öğretiliyor. Günlük hayatta düğümler, iki uçlu ipler ya da sicimlerle atılır. Ancak matematikçilerin deyişiyle bu tür düğümler topolojik olarak durağan değildir, çünkü ipi kesmeden çözülebilirler. Durağan düğümlerde iplerin uçları birleşiktir ve böyle düğümler ip üzerinde kaydırılabilseler bile makas kullanmadan çözülemezler.

Matematiksel açıdan bakarsak, söz konusu çalışmada yaratılan düğüm, 1931 yılında Heinz Hopf tarafından keşfedilen ve Hopf fibrasyonu olarak adlandırılan bir haritalama (izdeşim ) gerçekleştiriyor. Hopf fibrasyonu fizik ve matematikte hala geniş çapta çalışılan bir konu. Şimdiyse bir kuantum alanında ilk kez deneysel olarak gösterilmiş oldu.

"Bu kuantum düğümlerin öyküsünün başlangıcı. Daha karmaşık kuantum düğümlerin, örneğin düğümlenmiş merkezi olanların gözlemlenebilmesi de harika olurdu. Ayrıca kuantum maddenin durumunun içsel olarak durağan olacağı koşullarda böyle düğümlerin yaratılması da önemli olurdu. O sistemde düğümün kendisinin durağanlığını ayrıntılı olarak inceleyebilirdik," diyor Mikko Möttönen.



Kuantum düğümler ile ilgili basit anlatımlı temel bilgi için şu videoyu da izlemenizi öneriyoruz.



 

---

Kaynak: Aalto Üniversitesi, "Quantum knots are real"
< http://www.aalto.fi/en/current/news/2016-01-14-005/ >

İlgili Makale: D. S. Hall, M. W. Ray, K. Tiurev, E. Ruokokoski, A. H. Gheorghe, and M. Möttönen. “Tying Quantum Knots”, Nature Physics, DOI: 10.1038/NPHYS3624
< http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3624.html >

---