Bilim insanları ilk defa, bir sistemdeki düzensizliğin bir ölçütü olan entropideki değişikliğin, kuantum faz geçişi olarak da bilinen gizemli bir kuantum zar atışının gerçekleşmek üzere olduğunu hassas bir şekilde önceden bildirebileceğini keşfetti. Bu büyük bir olay; sadece kuantum faz geçişleri hakkında çok az bilgiye sahip olduğumuzdan değil (ilk defa gözlemlenmelerinden bu yana bir yıldan az bir süre geçti), aynı zamanda bu keşif yüksek sıcaklıkta süper iletkenlik gibi şaşırtıcı tüm özelliklerin kilidini açmak için anahtar görevi görebilir.

Rice Üniversitesi’nden Qimiao Si; “Bu gösterim; yüksek sıcaklıkta süper iletkenlik gibi benzersiz özelliklerin, belirli türde malzemeler kritik kuantum noktasına kadar soğutulduklarında nasıl meydana geldiklerini daha iyi anlamamız için bir temel teşkil ediyor” yorumunda bulunuyor.

Araştırmacılar, “ağır fermiyonlar” olarak bilinen kuantum materyalleri olan ve soğutulduklarında fazlasıyla tuhaf elektronik özellikler sergileyen seryum-bakır-altın alaşımları kullanarak çalışmayı gerçekleştirdi. En arzu edilen özelliklerden birisi ise; geleneksel süper iletkenlik limitinin (30 ºK veya -242,2 ºC) çok üzerindeki sıcakıklarda elektrik akımını sıfır dirençle iletme yeteneği olan yüksek sıcaklıkta süper iletkenlikti. Eğer bunu güvenilir ve verimli bir şekilde gerçekleştirme başarabilirse, bu gerçekten büyük bir başarı olur, çünkü mevcut durumda elektrik nakil hatları boyunca, üretilen enerjinin %7’si dirençten dolayı kaybediliyor ve süper iletken malzemeler bunun önüne geçebilir.

Fakat ağır fermiyonlar, aslında yüksek sıcaklıkta süper ileten değiller. Gerçekte olan şey; bu materyaller soğutulduklarında, elektronlarının etkin kütlesi, gerçek kütlelerinin yüzlerce katı kadar olabiliyor ve daha da tuhafı bu etkin elektron kütlesi sıcaklık değiştikçe değişiyor.

Bu durum, geleneksel fiziği ihlal ediyor ve materyal içerisindeki elektronların, tıpkı eriyen buzdaki atomlar gibi, bir halden başka bir hale geçtiği kuantum faz geçişi noktalarında meydana geliyor.

2001 yılında, araştırmacılar bu tuhaflığı açıklamak için bir hipotez öne sürdüler. Hipoteze göre; kuantum faz geçişinin, kritik kuantum noktası da denilen, oluşmaya başladığı anda; elektronlarda o kadar büyük bir dalgalanma meydana geliyor ki, etkin kütleleri neredeyse sonsuz denecek kadar büyüyor.

Kritik kuantum noktalarını algılayabilmek amacıyla, sıvı haldeki su ve buz örneği kullanalım. Buz oldukça düzenli bir haldir çünkü su molekülleri, kristal kafesi içerisinde düzgün şekilde dizilmişlerdir. Buza kıyasla sıvı haldeki su daha az düzenlidir, fakat akışkan su moleküllerinin temelinde hala bir düzen vardır.

Kritik nokta, nesnelerin iki farklı düzen arasında dalgalandığı noktadır. Bu nokta, su moleküllerinin kısmen buza göre bir deseni takip etmek ve kısmen de suya göre bir deseni takip etmek istedikleri noktadır. Bu, kuantum faz geçişine çok benzer. Bu geçiş, kuantum mekaniği tarafından yönetilse de, iki düzenli hal arasındaki dalgalanmanın maksimum olduğu kritik bir nokta vardır. Kuantum durumunda, bu dalgalanmalar, malzemedeki elektronların spinlerini(Spin, elektronların “yukarı” veya “aşağı” şeklinde sınıflandırılabilen, dahili bir özelliğidir.) düzenlemekle alakalıdır.

Mıknatıslarda, tüm elektronların spinleri aynı doğrultudadır. Fakat pek çok materyal ise tam tersi bir davranış sergiler; “anti-ferromanyetik” olarak adlandırılan bu davranışta spinler sırayla “aşağı, yukarı, aşağı, yukarı...” şeklinde bir desen takip edebilir. Bu manyetik düzenin, kritik kuantum noktasının her iki tarafında değiştiğini ve kritik kuantum noktasının, iki farklı elektron durumu arasındaki dalgalanmaların maksimum olduğu nokta olduğunu keşfeden araştırmacılar, bu çalışmada “seryum bakır-6” adı verilen seryum-bakır-altın alaşımı kullandı ve entropinin, kritik kuantum noktası gelmeden hemen önce artıyor olabileceği ve bunun geçişi önceden tahmin etmek için kullanılabileceği fikrini test etti.

Entropi doğrudan ölçülemez, fakat entropi oranı, başka bir oranla doğru orantılı olduğu bilinen gerilim ile değişir: sıcaklıktaki değişime bağlı olarak malzemenin genleşme ve büzülme miktarı.

Araştırmacılar malzemeyi gülünç derecede soğuk sıcaklıklara kadar soğutarak, sistem kuantum noktasına yaklaştıkça, entropinin oldukça düşük sıcaklıklarda nasıl gittikçe arttığını gösteren üç boyutlu bir harita oluşturabildi. Diğer bir deyişle; entropi manzarasının, çok boyutlu parametre uzayında detaylı bir haritasını çizdiler ve kritik kuantum noktasının, bu entropinin zirvesinde bulunduğunu doğruladılar.

Yani öngörülerinin doğru olduğunu gösterdiler: Entropi, kritik kuantum geçişinden hemen önce artıyor.

Kulağa, gündelik yaşamınızda çığır açacakmış gibi gelmiyor olabilir. Fakat bu bilgi, gelecekte bu değişimleri daha iyi anlamak ve kontrol etmek için kullanılabilir. Günün birinde araştırmacıların, yüksek sıcaklıkta süper iletkenlik gibi kuantum krallığına ait tuhaf ve harika özelliklerin hepsinin nasıl etkinleştirilebileceğini anlamalarına olanak sağlayabilir.

 

---

Kaynak: Increasing Entropy Could Signal When a Mysterious Quantum Flip Is About to Occur < http://www.sciencealert.com/increasing-entropy-could-signal-that-a-mysterious-quantum-flip-is-about-to-occur >

Referans: Multidimensional entropy landscape of quantum criticality < https://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys4113.html > DOI: 10.1038/nphys4113

---