Kuantum Isı Yalıtımı

İki fiziksel görüngü, yerellik ve ergodiklik kırılması, yeni bir deneysel ve kuramsal çalışma ile bir araya getirildi. Fiziğin temelleri ve gelecekteki kuantum hesaplamalar için bunun nelere işaret et..
Görsel Telif:

İki fiziksel görüngü, yerellik ve ergodiklik kırılması, yeni bir deneysel ve kuramsal çalışma ile bir araya getirildi. Fiziğin temelleri ve gelecekteki kuantum hesaplamalar için bunun nelere işaret ettiğine geçmeden önce, bu iki konuyu sırasıyla ele alalım. Kuantum ayrıntılara girmeden önce belli başlı bazı örnekler görelim.

Yerellik

Elektronlar bir malzemeden geçerken, değişik derecelerde dirençle karşılaşırlar. Bu da onların yol boyu enerji kaybetmelerine neden olur. 1950’li yıllarda fizikçi Philip Anderson, bazı düzensiz (yarı-iletkenler gibi) malzemelerde bulunan elektronların, ya da daha net konuşmak gerekirse bir dizi kuantum dalga gibi görülen elektronların tuzaklanabileceğini öngörmüştü. Hareketsiz kalmaları, tüm enerjilerini yitirmelerinden ötürü değil, dalgaların belli bir bölgeye sıkışmasına neden olan bir girişim etkisinden dolayı olmalıydı.

Daha sonra deneylerle gösterilen bu sav, geleneksel termodinamikle çakışıyordu. Belli bir sıcaklıktaki elektronlar bir malzemeye farklı enerjide girdiklerinde ortak bir sıcaklığa gelerek “termalize” olmalıydılar. Fakat yerellik bunun dışında kalıyor gibiydi. Elektron dalgaları bozulmuyor, ama ayrık hale geliyordu. Çevrelerindeki sıcaklığa gelmiyorlardı.

Böylece Çok-cisim Yerelleşmesi (İng. Many-body Localization – MBL) fiziğin ilgi gören alanlarından biri oldu. 2006 yılında sadece üç makalede sözü edilen bu kavram, 2015 yılında 190 makalede geçti. Ayrıca geçtiğimiz ay California’da bulunan Kavli Kuramsal Fizik Enstitüsü’nde bu konuya adanmış özel bir toplantı yapıldı.

Ergodiklik

Ergodik terimi 19.yüzyıla dayanır. Ludwig Boltzmann tarafından, bir parçacıklar sisteminin zaman içindeki evrimini istatistiksel olarak tanımlamak amacıyla kullanılmaya başlanmıştır.

Bin tane özdeş zar atıp, sayısal sonuçları kaydedin.  Ardından onlara benzeyen tek bir zar alıp, bu zarı bin kez atın. Ortalamalar her iki deney için de benzer olacaktır. Bu ergodik bir sisteme örnektir. Yani böyle bir sistemin başlıca özelliklerinden biri, sistemin uzay ve zaman ortalamalarının benzer olmasıdır. Çok sayıda zarla bir seferde alınan değerler ile tek bir zarla çok kez yinelenerek alınan değerlerin ortalaması hemen hemen aynı olacaktır.

Bir parfüm şişesinin tıpasını çıkarıp, bulunduğu odanın kapısını kapatın. Uzun bir süre sonra odaya döndüğünüzde, bir parfüm molekülünün odanın herhangi bir yerinde bulunma olasılığı aynı olur. Bu da bir diğer ergodik örnek. Daha teknik bir dille söylemek gerekirse, molekül topluluğunun toplam tanımı tüm olası molekül konfigürasyonlarını tarar. “Olabilecek olan her şey olur” da denebilir. Sistemin olası durumlarından biri de, tüm parfüm moleküllerinin şişenin içinde tekrar toplanmasıdır. Fakat trilyonlarca başka konfigürasyon olasılığı olduğundan, uygulamada böyle birşeyle karşılaşılmaz. Moleküler odanın her yanına dağılır ve bir zamanlar şişenin içinde olduklarına ilişkin bir iz kalmaz. Sistem kendi başlangıcını hatırlamaz.

Peki ya ergodik olmayan sistemler? Lokantada oturmuş, menüyü inceleyen bir insan düşünün. Lokantaya 100.gelişi olsun. Onun şimdiye kadarki bu 100 siparişi ile lokantaya aynı anda gelip sipariş veren 100 kişinin siparişlerinin ortalamalarına bakalım. Elbette arada bir benzerlik olmaması normaldir. Çünkü insanlar, tavla zarlarından daha seçicidir.

Yakın Zamanda Yapılmış Deneysel Çalışmalar

Almanya’da bulunan Max Planck Enstitüsü’nde ve Maryland Üniversitesi bünyesindeki Joint Kuantum Enstitüsü’nde (JQI) yapılan deneylerde, hapsedilen atomlar yerelleşme sergiledi ve davranış ergodik değildi. Almanya’da gerçekleştirilen çalışmada nötr atomlar bir optik örgüde depolandı; JQI düzeneğinde ise bir iyon zinciri depolandı. Katı bir malzemenin içinde ilerleyen elektronların yerine, her biri kendi karakteristik spin yönelimine sahip olan atomlar, lazer sürücülü muhafaza içinde tutuldu.  Almanya deneyinde (sınırlanan lazer ışınları üzerindeki) düzensizlik, yerelleşmeyi sağladı ve parçacıklar (atomlar) yerelleşti. Amerika’daki deneyde ise yerelleşen “iyonların spinleri” oldu.

JQI deneyine ilişkin biraz daha ayrıntı vermek gerekirse, özel olarak modüle edilmiş laze ışınları, iyonlar sistemine düzensizlik getirmiş oldu. Hepsi birbiri ile etkileşen ve böylece orijinal toplu spin konfigürasyonlarını kaybeden spinler yerine, düzensizlik onların soyut “spin uzayı“nda yerelleşme etkisine neden oldu. Düzensizlik olmadan yerelleşme gerçekleşmiyor. Düzensizlik belli bir kritik değerin üzerine çıktığında ise yerelleşme görülüyor; atomlar spinlerini birbirleri ile karıştırmıyor, yani “termalize” olmuyorlar. JQI deney ekibinden Jacob Smith, “Başlangıçtaki spin konfigürasyonuna yakın bir şekle sıkışıp kalıyorlar,” diyor. Atomik spinler bir şekilde başlangıç durumlarını akıllarında tutuyor. Ergodik olmayan biçimde davranıyorlar.

Yeni Kuramsal Çalışma

Peki o halde yerelleşme ile ergodik olmama birlikte mi oluşuyor? JQI kuramcılarına göre öyle olmak zorunda değil. Physical Review Letters dergisinde yayımlanan makalelerinin başyazarı Xiaopeng Li, parçacıkların yerelleşmediği (harekete devam ettikleri, sınırlanmadıkları) durumlarda yine de ergodik olmayan bir doğa sergileyebilmelerinin, yani termalize olmamalarının tuhaflığına ilişkin şu yorumu yapıyor: “Kuramımız, bazı parçacıkların durgun, bazılarının ise hareketli olduğu  bir fiziksel resme işaret ediyor. Zarların ele alındığı durum için bunu, çift sayıların eşit olasılıklı ama tek sayıların yasak olduğu duruma benzetebiliriz. Bu alışılmadık madde hali, bir kuantum sistemin yerelleşme geçişi için bir senaryo sağlıyor.”

Ayrıca termalizasyon (aynı sıcaklığa gelme) kuantum eşdurumsuzluğun (İng. decoherence) başlıca nedenlerinden olduğu için, ergodik olmayan sistemlerden yararlanmak (içerilen parçacıklar yerelleşmiş olsa da, olmasa da) kuantum bilginin depolanmasına yardımcı olabilir. Ergodik olmayan sistemler bildik katı madde formunda değil de, tuzaklanmış atomlar biçiminde (yukarıda söz edilen deneylerdeki gibi) mümkün olabilir.

Bu problem üzerinde çalışan JQI kuramcıları ekibinin lideri Sankar das Sarma, ergodik olmayışı sıcaklık cinsinden tanımlıyor. “Kendi haline bırakılan tüm sistemlerin belli bir sıcaklığa ulaşmasını çok normal karşılıyoruz. Yani, termodinamik dengeye ulaşmaları bize normal geliyor. Peki bu daima doğru mu? En basit şekliyle, ergodiklik (neredeyse daima) belli tek bir sıcaklığa ulaşılmasını garantiliyor. Ergodik olmayan sistemler ise asla termodinamik dengeye ulaşmıyor ve tek bir sıcaklık ile karakterize edilemiyor. Yalıtılmış yerelleşmiş sistemler daima ergodik olmayan bir durum sergiliyorlar, çünkü dengeye ulaşmak için gerektiği şekilde bir noktadan diğerine enerji taşınımı yapamıyorlar.”

Parçacıklardan oluşan bir cismin aynı anda hem yerelleşmemiş olması, hem de ergodiklik göstermemesi kuramcıları çok şaşırttı. “Yine de dikkatli olmakta yarar var,” diyor das Sarma. “Elde ettiğimiz sonuçların doğru olduğu kanısındayım, ancak bunun makroskobik bir sistemin termodinamik limitine uygulanıp uygulanamayacağı yanıt bekliyor. Yine de içsel eşdurumsuzlukla mücadelede işe yarayabilir. Ayrıca kuantum ısı yalıtım sistemlerinin yapılmasına yardım edebilir.”

 


Kaynak: Joint Quantum Institute, “Quantum Insulation”
< http://jqi.umd.edu/news/quantum-insulation >

Referans Makale: Physical Review Letters, “Many-Body Localization and Quantum Nonergodicity in a Model with a Single-Particle Mobility Edge,” X. Li, S. Ganeshan, J.H. Pixley, S. Das Sarma, PHYSICAL REVIEW LETTERS, 115, (2015)


Bu içerik BilimFili.com yazarı tarafından oluşturulmuştur. BilimFili.com`un belirtmiş olduğu “Kullanım İzinleri”ne bağlı kalmak kaydıyla kullanabilirsiniz.

Etiket
  • Projelerimizde bize destek olmak ister misiniz?
  • Dilediğiniz miktarda aylık veya tek seferlik bağış yapabilirsiniz.
  • Destek Ol
Yorum Yap (0 )

Yorum yapabilmek için giriş yapmalısınız.

Bunlar da ilginizi çekebilir

Bağış Yap, Destek Ol!
Projelerimizde bize destek olmak isterseniz,
Patreon üzerinden
bütçenizi zorlamayacak şekilde aylık veya tek seferlik bağışta bulunabilirsiniz.
E-Bülten Üyeliği
Duyurulardan e-posta ile
haberdar olmak istiyorum.
Reklam Reklam Ver
Arşiv