Princeton Üniversitesi'nden fizikçi B. Andrei Bernevig liderliğindeki uluslararası bir araştırma ekibi, metalik malzemelerde "tip-II Weyl fermiyonu" olarak adlandırılan yeni bir tür parçacığın varlığını öngördü. Bu parçacığı içeren malzemeler bir manyetik alana maruz kaldıklarında, bazı yönlerdeki akıma karşı yalıtkan olurken diğer yönlerdeki akıma karşı iletken oluyorlar. Bu davranış, düşük enerjili cihazlardan verimli transistörlere kadar çok çeşitli potansiyel uygulamaları akla getiriyor.

Araştırmacılar, kuramsal olarak parçacığın "tungsten ditellürid (WTe2)" malzemesinde varolduğunu belirtiyorlar. Bu malzemeye bilimciler aslında "malzeme evren" adını takmış durumda, çünkü bazıları bizim evrenimizin normal koşullarında bulunan, bazıları ise sadece böyle özel kristal türlerinde varolabilen çeşitli parçacıklar içeriyor. Konu ile ilgili ayrıntılar Nature dergisinin bu haftaki sayısında yayımlandı.

Yeni parçacıktan, standart kuantum alan kuramı parçacıklarından biri olan Weyl fermiyonunun kuzeni şeklinde söz ediliyor. Ancak tip-II parçacığın elektromanyetik alanlar karşısında tepkileri epey farklı oluyor: Kimi yönlerde neredeyse kusursuz bir iletken olurken, alanın bazı yönlerinde ise yalıtkan oluyor. 85 yıl önce, kuantum kuramının geliştirildiği zamanlarda fizikçi Hermann Weyl bu parçacığın varlığını kaçırmıştı. Çünkü Lorentz simetrisi adı verilen temel bir yasayı ihlal ediyordu. Bu yasa, yeni tip fermiyonun belirdiği malzemelerde geçerli değil.

Evrenimizdeki parçacıklar, kuantum mekaniği ile Einstein'ın görelilik kuramını birleştiren görelilikcil alan kuramı ile betimlenir. Bu kuramın çatısı altında katılar, elektronlarla çevrili çekirdekler içeren atomlardan meydana gelir. Birbirleriyle etkileşen çok sayıdaki elektrondan ötürü, kuantum mekaniksel kuramı kullanarak katılardaki çoklu elektron hareketi problemini tam olarak çözmek mümkün değildir.

Onun yerine, malzemelere ilişkin şu anki bilgimiz daha basitleştirilmiş bir perspektiften elde edilmiştir: Katıdaki elektronların etkileşim yapmayan özel parçacıklar olduğu varsayılmıştır ve bunlara sanki-parçacıklar (İng. quasiparticles) adı verilmiştir. Bunlar iyon ve elektron dediğimiz yüklü varlıkların yarattığı etkin alanda hareket eder. Söz konusu sanki-parçacıklara Bloch elektronları adı verilir ve bunlar fermiyondur. Nasıl ki elektronlar bizim evrenimizin temel yapıtaşları ise Bloch elektronlarının da bir katının temel yapıtaşları olduğu düşünülebilir. Bir başka deyişle, kristalin kendisi, kendi temel parçacıkları olan bir "evren" haline gelir.



Son yıllarda araştırmacılar, böyle bir "malzeme evren"in görelilikcil kuantum alan kuramının tüm diğer parçacıklarını barındırabileceğini keşfetti. Bu sanki-parçacıklardan üçü, yani Dirac, Majorana ve Weyl fermiyonları böyle malzemelerde keşfedildi. Son ikisi uzun süre yakalanamamıştı ve bu durum kuantum alan kuramının bazı öngörülerini simüle etmek için nispeten ucuz ve küçük ölçekli deneylerin bu "yoğun madde" kristalleri içinde yapılmasına önayak oldu. Böyle kristaller laboratuvarda yetiştirilebilir, dolayısıyla yeni öngörülen fermiyonun WTe2 ve bir diğer aday malzeme olan molibdenum ditellürid (MoTe2) içinde aranacağı deneyler yapılabilir.

"İnsanın hayal gücü daha ileri gidip, görelilikcil kuantum alan kuramında bilinmeyen parçacıkların yoğun madde içinde belirip belirmeyeceğini merak edebilir," diyor Bernevig. Araştırmacılara göre bunun olabileceğini düşünmek için nedenler var. Kuantum alan kuramının tanımladığı evren, belli bir kurallar kümesine, yani yüksek enerjili parçacıkların karakteristiği olan Lorentz Simetrisi kurallarına kesin şekilde uyar. Ancak Lorentz Simetrisi yoğun maddeye uygulanmaz, çünkü katılardaki tipik elektron hızları ışık hızına kıyasla çok düşüktür. Dolayısıyla yoğun madde fiziği, bir düşük enerji kuramıdır.  Ekip üyelerinden Soluyanov şöyle diyor: "İnsanın aklına, bazı malzeme evrenlerde Lorentz simetrisine uymayan, görelilikcil olmayan "temel" parçacıklar barınmasının mümkün olup olmadığı sorusu geliyor."

Ekip bu soruyu kuramsal açıdan olumlu olarak yanıtlıyor.  Çalışma 2014 senesinin Kasım ayında ekip üyeleri arasındaki bir sohbetin, bazı metallerin manyetik alanlardaki beklenmeyen davranışlarına gelmesi ile başlamış. Bu davranış deneyciler tarafından zaten bazı malzemelerde gözlemlenmiş durumda, ama bunun yeni parçacıkla bağlantılı olduğunun doğrulanması için çalışmalara devam etmek gerekiyor.

Araştırmacılar görelilikcil kuram sadece bir tür Weyl fermiyonuna izin verirken, yoğun madde katılarında fiziksel olarak farklı iki Weyl fermiyonunun mümkün olduğunu buldu. Standart tip-I Weyl fermiyonunun sıfır enerjideyken bulunabileceği sadece iki olası durumu var; elektronun spininin ya aşağı ya da yukarı olması gibi. Aynı şekide, sıfır enerjideki durumların yoğunluğu sıfır olur ve fermiyon pek çok ilginç termodinamik etkiye karşı bağışıklıdır. Bu Weyl fermiyonu görelilikcil alan kuramında mevcuttur ve Lorentz değişmezliği korunduğu sürece izin verilen sadece budur. Yeni öngörülen tip-II Weyl fermiyonu ise sıfır enerjideyken çok sayıda farklı termodinamik durumlara sahip olabilir. Sahip olduğu Fermi yüzeyi egzotiktir; elektronlarla deşiklerin birleştiği noktalar boyunca belirir. Bu da yeni fermiyona Lorentz simetrisini kıran sonlu yoğunlukta durumlar kazandırır.

Keşif çok sayıda yeni kapı aralıyor. Normal metallerin çoğu manyetik alanda bırakıldıklarında giderek artan bir direnç gösteriyorlar ve bu etki şu anki teknolojilerin çoğunda kullanılıyor. Yeni öngörü ve yarı metallerde standart tip-I Weyl fermiyonlarının deneysel doğrulanışı gösterdi ki, eğer elektrik alan manyetik alan ile aynı yönde uygulanırsa, negatif boylamsal manyetik direnç (İng. negative longitudinal magnetoresistance) adı verilen etki uyarınca direnç aslında azalabilir. Çalışma tip-II Weyl fermiyonu barındıran malzemelerin davranışlarının karışık olduğunu gösterdi: Bazı yönlerdeki manyetik alanlar için direnç tıpkı normal metallerdeki gibi artarken, diğer alan yönelimlerinde direnç Weyl yarı metallerindeki gibi azalabiliyor.

Araştırmacılar işin daha ilginç olan yanının ise diğer yoğun madde sistemleri içinde "temel" parçacık bulmak olduğunu belirtiyorlar. Sonsuz çeşitlilikteki malzeme evrenlerde kim bilir başka nasıl parçacıklar gizli olabilir? Bu malzemelerde beliren fermiyonlar sadece bir başlangıç olsa gerek.



 

---

Kaynak: Princeton University, "'Material universe' yields surprising new particle"
< https://blogs.princeton.edu/research/2015/11/25/material-universe-yields-surprising-new-particle-nature/ >

Referans: Nature, "Type-II Weyl semimetals"
< http://www.nature.com/nature/journal/v527/n7579/full/nature15768.html >

---