Ana sayfa 153. Sayı 2016 Nobel Fizik Ödülü: Madde düzlemlerindeki gizemli fiziğin keşfi

2016 Nobel Fizik Ödülü: Madde düzlemlerindeki gizemli fiziğin keşfi

349
PAYLAŞ

Çeviren: Hakan Sert

İsveç Kraliyet Bilim Akademisi, topolojik faz geçişleri ve maddenin topolojik fazları konularındaki teorik keşiflerinden dolayı bu seneki Nobel Fizik Ödülü’nü, David J. Thouless ile F. Duncan M. Haldane ve J. Michael Kosterlitz arasında paylaştırdı.

Nobel Edebiyat Ödülü’nden sonra bu sene belki de en çok tartışılan ödül, fizik alanından geldi. 1975’te Vera Rubin ve Kent Ford’un galaksi dönüş oranlarının gözlemleri neticesinde gelişen karanlık madde teorisi ve LIGO’nun geçtiğimiz aylarda açıkladığı gravitasyon dalgalarının keşfi, Nobel’e layık görülen gelişmeler sayılabilir. Fakat maddenin topolojik fazlarının keşfi ve teorisinin kurulması da, bilimde ve teknolojide diğer gelişmeler kadar önemlidir. Bir diğer nokta da, bu ödüllerin -her ne kadar tartışmaya açık da olsa- Alfred Nobel’in vasiyeti üzerine insanlığa en büyük katkıyı yapan çalışmalara verilmesidir. Bu faydacı motivasyonla bakacak olursak Nobel Fizik Ödülü, özellikle kısa vadeli teknolojik yansımalara olanak tanıdığından dolayı, Nobel’in şartlarını karşılamaktadır.

2016 Nobel Fizik Ödülü, bir yarısı Washington Üniversitesi’nden David J. Thouless’e; diğer yarısı ise Princeton Üniversitesi’nden F. Duncan M. Haldane ve Brown Üniversitesi’nden J. Michael Kosterlitz’e olmak üzere üç bilimci arasında paylaşıldı. Keşifle birlikte maddeyi ve maddenin gizemlerini algılayışımızda çığır açıcı teorik yenilikler getiren bilimciler, inovatif materyaller geliştirme konusunda yeni perspektifler kazanmamıza olanak sağladı.

Topolojik fikirleri fiziğe uyguladılar

David Thouless, Duncan Haldane ve Michael Kosterlitz, maddenin süperiletkenlik, süperakışkanlık veya ince manyetik filmler gibi sıradışı fazlarda bulunma durumlarını açıklamak üzere ileri matematiksel yöntemler kullandılar. Kosterlitz ve Thouless düzlemlerde veya iki boyutlu olarak ele alınabilecek son derece ince tabakalarda meydana gelen fenomenleri çalıştılar. Haldane ise tek boyutlu olarak düşünebileceğimiz, iplik şeklinde yapıları oluşturan materyalleri çalıştı.

Düzlem (flat) bölgelerindeki fizik, bizim üç boyutta deneyimlediğimiz fizikten oldukça farklıdır. Atomları tek tek ele aldığımızda her birini kuantum mekaniği ile açıklayabilsek de, milyonlarca atomdan meydana gelmiş, son derece ince bir madde tabakasındaki atomlar tamamen farklı bir karakter sergiler.

Ödül sahiplerinin topolojik fikirleri fiziğe uygulaması, keşifleri açısından belirleyici olmuştur. Topoloji, adım adım değişen özellikleri açıklayan matematiğin bir alanıdır ve modern bir araç olarak fizikte birçok yeni araştırma alanına ve önemli kavramların ortaya çıkmasına olanak tanımıştır.

Şekil 1 – Maddenin fazları: Maddenin en bilindik fazları katı, sıvı ve gazdır; fakat çok yüksek veya düşük sıcaklıklarda madde egzotik fazlara geçer. Kullanılan bütün çizimler Johan Jarnestad tarafından hazırlanmıştır.

Kuantum fiziği soğukta kendini gösteriyor

En temelde tüm maddeler kuantum mekaniğine tabidir.   Katı, sıvı ve gazlar maddenin olağan fazlarıdır ve bu fazlardaki kuantum etkiler, gelişigüzel atomik hareketlerle perdelenir. Fakat mutlak sıfır (-273 ∘C) civarındaki soğukluklarda maddeler farklı davranışlar göstermektedir; sadece mikro ölçeklerde ölçümleyebildiğimiz kuantum etkiler bir anda kendini göstermeye başlar (Şekil 1).

Sıradan maddenin faz geçişleri sıcaklık değişimlerinde kendini gösterir. Örneğin düzgün sıralanmış buz kristalleri ısıtıldığında erir ve daha düzensiz bir forma sahip su meydana gelir. Düz bölgelere gittiğimizde ise, materyallerin fazlarının henüz tam anlamıyla anlaşılmadığını görürüz.

Soğukta ilginç şeyler ortaya çıkabilir: Örneğin parçacıklarla etkileşimin yarattığı direnç, düşük sıcaklıklarda ortadan kalkar ve elektrik akımı hiçbir dirençle karşılaşmadan yolunu alır ve malzeme süperiletkenlik özelliği gösterir. Bir başka örnek de süper akışkanlardaki girdap akımlarının (vortex), aynı hızda dönüşünü sonsuza dek sürdürebilmesidir.

Süperakışkanlar, sistematik olarak ilk kez 1930’lu yıllarda Pyotr Kapitsa tarafından çalışıldı. Helyum-4’ü -217 dereceye kadar soğutan Kapitsa, akmaya karşı direnci (viskozite)   ortadan kalktığında süperakışkan davranışı gözlemledi. 1978’de Nobel Fizik Ödülü’ne layık görülen bu keşfin sonrasında, birçok türde süperakışkan laboratuvar ortamlarında üretilmeye başlandı. Süperakışkan helyum, süperiletken ince filmler, ince tabakalı manyetik materyaller ve iletken nano-iplikler şu anda yoğun olarak çalışılan madde fazlarından bazılarıdır.

Girdap akımı çiftleri çözümü sağladı

Araştırmacılar uzun bir süre boyunca sıcaklık dalgalanmalarının iki boyutlu düzlemlerdeki madde örgütlenmesini, mutlak sıfırda bile tamamen yok ettiğini düşünüyordu. Düzenli bir faz olmadığında, faz geçişi de olanaklı değildi. Fakat 1970’li yılların başında Birmingham’da bir araya gelen David Thouless ve   Michael Kosterlitz, mevcut teoriye meydan okudu. Düz bölgelerdeki faz geçiş problemini ele alan araştırmacılar, faz geçişlerine yepyeni bir bakış açısı getirerek, 20. yüzyıl yoğun madde fiziği teorisindeki en önemli keşiflerden birini, KT (Kosterlitz-Thouless) veya BKT (Kosterlitz-Thouless- Berezinskii) geçişini ortaya koydular.

Şekil 2 – Faz geçişi: Maddenin faz geçişlerinde ortaya çıkar; buzun eriyip su oluşturması gibi. Kosterlitz ve Thouless, çok düşük sıcaklıklarda ince tabakalardaki topolojik faz geçişlerini topoloji yardımıyla açıkladılar. Düşük sıcaklıklarda girdap akım çiftleri oluşur ve faz geçişi sıcaklığında aniden birbirlerinden ayrışır. Bu, yoğun madde fiziğinin 20. yüzyıldaki en önemli keşiflerindendir.

Topolojik faz geçişi, buz ve su arasındaki gibi sıradan faz geçişlerine benzemez. Bu faz geçişlerindeki temel etken, düz materyallerdeki küçük girdap akımlarıdır. Düşük sıcaklıklarda daha sıkı girdap çiftleri oluşur ve sıcaklık arttıkça faz geçişi meydana gelir. Akımlar birbirinden uzaklaşarak kendi başlarına materyal üzerine kayar (Şekil 2).

Teorinin bir diğer güzel yanı ise, düşük boyutlardaki farklı materyal tiplerine de uygulanabilmesidir. Bu açıdan KT geçişleri evrenseldir. Sadece yoğun madde fiziğiyle değil, istatistik mekanik ve atom fiziği gibi alanlarla da uyum içinde çalışması KT geçişini oldukça kullanışlı bir araç haline getirir. Geçişlerin arkasındaki teori de geliştiricileri başta olmak üzere diğer biliminsanları tarafından ortaya koyulmuş ve deneysel sınamalardan geçmiştir.

Gizemli kuantum sıçraması

Deneysel ilerlemeler neticesinde, çok sayıda yeni madde fazının açıklanması ihtiyacı doğdu. 1980’lerde David Thouless ve Duncan Haldane, 1930’larda ortaya çıkmış, hangi maddenin elektrik iletip iletmeyeceğine dair var olan kuantum mekaniksel teoriye meydan okuyan yeni bir teori ortaya koydular. Yeni teoriye dek fiziğin bu alanının iyi anlaşıldığı düşünülmekteydi. Dolayısıyla 1983’te David Thouless’nin, var olan teorinin eksik olduğunu, düşük sıcaklık ve güçlü manyetik alanlarda yeni bir teorinin gerekliliğini kanıtlaması, son derece şaşkınlık uyandırdı. Aşağı yukarı aynı zaman zarfında Duncan Haldane’in manyetik atom zincirleri üzerinde yaptığı analiz çalışmaları da benzer sonucu öngörüyordu.

Thouless’in topoloji kullanarak teorik açıklama getirdiği gizemli kuantum fenomeni,   Hall etkisi olarak bilinir. 1980’lerde Alman fizikçi Klaus von Klitzing tarafından gözlemlenmiş ve 1985’te Nobel’e layık görülmüştür. Klitzing, iki yarı-iletken arasındaki ince iletken tabakadaki elektonları mutlak sıfıra yakın derecelere kadar soğutup manyetik alana maruz bırakmıştır.

Fizikte sıcaklık düştüğünde şiddetli etkilerin görülmesi normaldir. Örneğin birçok materyal manyetik özellik kazanır, çünkü malzemedeki tüm atomik magnetler bir anda aynı yöne yönelir ve güçlü manyetik alan meydana gelir.

Öte yandan kuantum Hall etkisinin anlaşılması daha zordur; tabakadaki elektriksel iletkenlik değerleri son derece kesin ve belirli değerler verir ki, bu fizik için olağan değildir. Yarı-iletkenin saflığı, sıcaklık ve manyetik alanın farklı değerlerinde bile sonuçlar değişmez. Manyetik alan yeterince değiştiğinde tabakanın iletkeniği de değişir: Manyetik alanın gücü azaltıldığında elektrik alan ilk olarak ikiye katlanır. Daha sonra üçe, dörde… Bu sıralı adımlar bilmecesi dönemin fizikçileri tarafından doğru şekilde gerekçelendirilememiştir, ta ki David Thouless topoloji kullanana dek.

Şekil 3 – Topoloji: Matematiğin bu dalı, tıpkı yukarıdaki nesnelerin sahip olduğu delik sayıları gibi, adım adım değişiklik gösteren özellikleri inceler. Topoloji bu seneki Nobel Ödülü’nün anahtar noktası. İnce tabakalardaki elektriksel iletkenliğin adımlı değişimi bu sayede açıklanmıştır.

Yanıt topolojiden geliyor

Topoloji, cisimleri parçalamayacak şekilde yapılan germe, döndürme gibi deformasyonların özelliklerini açıklar. Topolojik olarak küre ile kase aynı kategoridedir çünkü küre şeklindeki bir hamuru parçalamadan kase oluşturulabilir. Ortasında boşluk olan simit şekilli cisimler ile -örneğin- kahve kupası da yine başka bir kategoriye aittir ve yeniden modellenerek birbirlerine dönüştürülebilir. Ancak yapısını bozmadan bir küreden simit elde edemeyiz. Topolojik nesneler bir, iki, üç… gibi tam sayılı deliklere sahiptir. İşte buradan yola çıkılarak, kuantum Hall etkisindeki elektriksel iletkenliğe açıklama getirilmiştir (Şekil 3).

Kuantum Hall etkisinde elektronlar, yarı-iletkenler arasındaki tabakada görece serbest olarak hareket eder ve topolojik kuantum akışkanı adı verilen bir yapı meydana getirir. Nasıl ki birçok parçacık bir araya geldiğinde yeni özellikler ortaya çıkıyorsa, topolojik kuantum akışkanındaki elektronlar da şaşırtıcı karakter gösterir. Kahve kupasının yalnızca bir bölümüne bakarak nesnenin delik barındırıp barındırmadığını anlayamadığımız gibi, elektronların bir kısmını gözlemleyerek elektronların topolojik kuantum akışkanı meydana getirip getirmediğini anlamak olanaksızdır. İletkenlik elektronların kolektif hareketiyle meydana gelir ve topolojiden dolayı da adım adım değildir; yani kuantalanmıştır. Topolojik kuantum akışkanlarının bir diğer ilginç özelliği de sınırlarındaki ilginç özelliklerdir. Bu özellikler teorik olarak öngörülmüş ve sonrasında deneysel olarak ispatlanmıştır.

Başka bir önemli bulgu, 1988 yılında Duncan Haldane tarafından yapıldı. Buna göre, topolojik kuantum akışkanları, kuantum Hall etkisinde olduğu gibi manyetik alan olmamasına rağmen, ince yarı-iletken tabakalarda da oluşabilmelidir. Haldane, teorik modelinin deneysel olarak gözlemlenebileceğini hiçbir zaman düşünmemesine rağmen, 2014 yılında mutlak sıfıra yakın atomlarda yapılan deneyler bu öngörüyü doğruladı.

Topolojik malzemeler çağı

Duncan Haldane, 1982’deki erken çalışmalarında alandaki uzmanları bile hayrete düşüren bir tahmin yaptı. Haldane, bazı materyallerde ortaya çıkan manyetik atom zincirleri üzerinde yaptığı teorik çalışmalarda, atomik magnetlere bağlı olarak bu zincirlerin temelde farklı karakteristik gösterdiğini keşfetti. Kuantum fiziğinde tek ve çift olmak üzere iki tür atomik magnet vardır. Haldane, çift magnetlerden oluşmuş zincirlerin topolojik özellik gösterirken, tek magnetlerden oluşanların topolojik olmadığını göstermiştir. Topolojik kuantum akışkanında olduğu gibi, zincirin topolojik olup olmadığını belirlemek için bir kısmına bakmak yeterli olmaz. Yine kuantum akışkanında olduğu gibi topolojik özellikler kendilerini sınırlarda açığa çıkarır; yani zincirin sonunda. Çünkü spin olarak bilinen kuantum özelliği, topolojik zincirin sonlarında yarıya düşer.

Haldane’nin açıklamalarına ilk önce kimse inanmadı, çünkü atomik zincirlerin tamamen anlaşıldığı düşünülmekteydi. Fakat zamanla Haldane’nin ilk topolojik materyali keşfettiği anlaşıldı ve kuantum Hall etkisi ile çift manyetik atom zincirleri bu yeni tür topolojik gruba dahil edildi. İlerleyen zamanlarda sadece zincirlerin ve ince tabakaların değil; sıradan üç boyutlu materyallerin de oluşturduğu topolojik gruplar keşfedildi.

Artık topolojik yalıtkanlar, süperiletkenler ve metaller gündemde ve bu tür malzeme araştırmaları geçtiğimiz on yıldan beridir yoğun madde fiziğinin temel araştırma alanları haline geldi. Bu araştırmalar topolojik malzemelerin yeni nesil elektronik ve süperiletken malzemelerin üretilebilmesine olanak tanımasının ötesinde, egzotik düzlemlerde gerçekleşen maddenin gizemlerini de ortaya çıkarıyor. Tüm bu olanaklar 2016 Nobel Fizik Ödülü sahipleri sayesinde gerçekleşti.

2016 Nobel Fizik Ödülü sahipleri

Soldan sağa, David J. Thouless, 1934’te Bearsden, İngiltere’de doğdu. Doktora derecesini 1958’de Cornell Üniversitesi’nden aldı. Washington Üniversitesi’nde profesörlük yapmaktadır. F. Duncan M. Haldane, 1951’de Londra, İngiltere’de doğdu. Doktora derecesini 1978’de Cambridge Üniversitesi’nden aldı.   Princiton Üniversitesi’nde profesörlük yapmaktadır. J. Michael Kosterlitz 1942’de Aberdeen, İngiltere’de doğdu. Doktora derecesini 1969’da Oxford Üniversitesi’nden aldı. Brown Üniversitesi’nde profesörlük yapmaktadır.

2016 Nobel Ekonomi ve Barış Ödülleri

Nobel Ekonomi, Edebiyat ve Barış Ödülleri’nin kime verileceğinin seçiminde,diğer ödüllere göre, politik nedenlerin ağırlıkta olduğu söylenegelir.
Nobel Ödülü esasta, kapitalist iktisada katkısı yüksek isimlere gider. 2016 ödülü de, “sözleşme teorisi” alanındaki çalışmaları için Oliver Hart ve Bengt Holmström’e gitti. Piyasa koşullarında işçi-işveren, hissedar-yönetici, öğretmen-öğrenci arasındaki “sözleşmeler”in etkinliği, teşviklerin, özendiricilerin niteliği ve yeterliliği gibi konularda bir model geliştirmişlerdi.

Bu seneki Nobel Barış Ödülü ise,   Kolombiya Devlet Başkanı Juan Manuel Santos’sa, FARC gerillalarıyla Kolombiya Devleti arasında 50 yıldan fazladır süren iç savaşı sona erdirmek için yürütülen “barış görüşmelerine katkısı” nedeniyle verildi.

Hükümet ve FARC arasındaki barış anlaşmasına, Küba’nın başkenti Havana’da 4 yıla yakın süredir yapılan müzakerelerin ardından varılmıştı. Fakat varılan anlaşma, geçtiğimiz ay düzenlenen, katılım oranının yüzde 38’de kaldığı referandum sonucu 63 bin oy farkla reddedildi.