Süperiletkenlerde Sonsuza Dek Akıp Giden Elektrik Akımları

Fermiyonların bozon gibi davrandığı özel durum, bir metal içindeki elektrik akımında yaşanmaktadır. Metal atomlarının en dış yörüngesinde bulunan elektronlar çok gevşek bir yapıda olduklarından, atomdan kurtularak ayrılabilirler. Metalin uç noktaları arasında bir bataryayla gerilim uygulandığı takdirde, özgürlüğüne kavuşmuş sayısız elektron, metalin içinden akıp geçerek bir elektrik akımı oluşturacaktır.

Elektron fermiyon sınıfında olduğundan, asosyal bir yapıdadır. Her bir basamağın daha yüksek bir enerji düzeyine tekabül ettiği bir merdiven düşünün. Elektronlar en alttan başlayarak her basamağa ikişer ikişer yerleşir (bozonlar ise memnuniyetle en alt basamaklarda birikecektir). Her bir elektron çifti için ayrı bir basamağın gerekliliği, bir metal içindeki elektronların tahmin edildiğinden çok daha fazla enerjiye sahip olduğunu göstermektedir.

Ancak bir metal mutlak sıfır noktasına (mümkün en düşük sıcaklık, -273,15 derece) inecek kadar soğutulduğunda, gerçekten de tuhaf bir şey meydana gelmektedir. Genelde her bir elektron, metalin içinde, diğer tüm elektronlardan bağımsız bir şekilde hareket eder. Öte yandan sıcaklık düştükçe, metal atomları gittikçe daha cansız bir şekilde titreşir. Bir elektron geçerken, elektronlardan binlerce kat daha fazla kütleli olsalar da, metal atomuyla aralarındaki elektriksel çekim gücü, atomun elektronun peşinden çekilmesi için yeterlidir. Çekilen atom ise bir başka elektronu çeker. Bu yolla, bir elektron diğer bir elektronu, metal atomunun aracılığıyla etkilemiş olur.

Bu etki, metalin içinden geçen akımın doğası üzerinde kökten bir değişikliğe neden olmaktadır. Akım, tek tek elektronlar yerine, “Cooper çiftleri” olarak bilinen elektron çiftlerinden oluşmuştur. Ancak her bir Cooper çifti içindeki elektronların spin yönleri birbirinden farklı olduğu için, birbirlerini sönümlendirirler. Dolayısıyla Cooper çiftleri bozondur!

Cooper çiftini oluşturan elektronlar, metal içinde birbirlerine yakın bile olmayabilir. Cooper çiftinin bir üyesiyle diğeri arasında, binlerce başka elektron bulunabilir. Ancak bu yalnızca tuhaf bir detaydır. Esas nokta, Cooper çiftlerinin bozon olduğudur. Ve süperiletkenin ultra-düşük sıcaklığında, bütün bozonlar aynı durumda toplaşarak mukavemet edilemez tek bir varlık gibi davranırlar. Kitle halinde akmaya başladıkları anda, onları durdurmak hiç de kolay değildir.

Normal bir metalde, elektrik akımına, metalin içine karışmış ametal atomlar tarafından karşı konur; bu atomlar elektronların yoluna çıkarak metal içindeki ilerleyişlerini engeller. Fakat katışık bir atom normal bir atom içindeki elektronu engelleyebilirken, bir süperiletken içindeki Cooper çiftine karşı koyması neredeyse imkansızdır. Bunun nedeni, her bir Cooper çiftinin, milyarlarca ve milyarlarca benzeriyle uygun adım bir tempo tutturmuş olmasıdır. Bir katışık atom artık bu akışı asla durduramaz. Bir kez başladığı anda, süperiletken içindeki akım sonsuza dek sürecektir.

Bozonlar Neden Bir Arada Olmaktan Hoşlanır

İki bozon parçacığının küçük bir alanda uçtuğunu düşünelim. Biri güzergahı üzerinde bir engelle karşılaşarak, diğeri de bir başka engele çarparak seksinler. Engellerin ne olduğunun bir önemi yok, çekirdek ya da herhangi bir başka şey olabilir. Önemli olan hangi yönde sekecekleridir. Ve bu yön her ikisi için de aynıdır.

Eğer ki iki bozon farklı türden parçacıklarsa, aralarında bir girişim yaşanamaz. Bu nedenle de, dedektörün seken iki parçacık saptaması olasılığı, ilk dalganın yüksekliğinin karesi artı ikinci dalganın yüksekliğinin karesidir. Şimdi, olan şu ki -ve bu noktanın doğruluğuna güvenmek durumundayız- iki olasılığın az çok aynı olduğu ortaya çıkmaktadır. Dolayısıyla genel olasılık da, kendi başlarına gerçekleşen her bir olayın olasılıklarının iki katıdır.

Şimdi, iki bozonun özdeş parçacıklar olduğunu varsayalım. Bu durumda, iki olasılık ayırt edilemez. Ve ayırt edilemez olduklarından ötürü de, bu olasılıklarla bağlantılı dalgalar birbirleriyle girişimde bulunabilir.

Bu sayı, bozonların özdeş olmadığı durumun iki katını vermektedir. Diğer bir deyişle, iki bozon özdeş olduğunda, aynı yönde sekmeye, farklı oldukları duruma nazaran iki kat daha fazla meyilli olmaktadır. Ya da şu şekilde ortaya koyalım: Bir bozonun belli bir yönde sekmesi, bir başka bozon da aynı yönde sekmişse, iki kat daha olasıdır.

Bozonlar arttıkça bu etki çok daha önem kazanır. Ortada n tane bozon varsa, bir tane daha parçacığın aynı yönde sekme olasılığı, başka hiçbir bozon olmadığı durumdan n kat daha büyüktür. Burada sürü psikolojisinden bahsediyoruz! Var olan diğer bozonların bir şey yapıyor olması, bu bozonlara eklenecek bir yenisinin de aynı şeyi yapacak olması olasılığını ciddi ölçüde arttırmaktadır.

Bozonların söz konusu girişkenliğinin, bizim için çok önemli sonuçları olduğu ortaya çıkmıştır: Örneğin ışığın yayılmasının pratik uygulamaları açısından.

Neden Atomların Tümü Aynı Değil?

Bir kilise orgu içinde hapsolmuş ses dalgalarının ancak kısıtlanmış yollardan titreşim sağlayabildiğini hatırlayın. Aynı durum, atomun içine hapsolmuş bir elektronla bağlantılı dalgalar için de geçerlidir. Her bir farklı titreşim, bir elektronun, atomun merkezindeki çekirdeğe göre belirli bir mesafede bulunan olası bir yörüngesine ve belirli bir enerji düzeyine denk gelmektedir (elbette ki, elektron ya da diğer mikroskobik parçacıklar için yüzde 100 kesinlikte bir rota olmadığından, söz konusu yörünge bir elektronu bulmak için en olası yer olarak kabul edilir).

Fizikçiler ve kimyagerler yörüngeleri numaralandırmaktadır. Taban durumu (ground state) olarak da bilinen en içteki yörünge 1, ardı sıra gelen yörüngeler ise içten dışa doğru 2, 3, 4 … şeklinde numaralandırılmıştır. Bu kuantum numaralarının mevcudiyeti, mikroskobik dünyada (söz konusu olan elektron yörüngeleri olduğunda bile) her şeyin nasıl ara değerler olmaksızın, ayrık adımlarla meydana geldiğini ortaya koymaktadır.

Elektron bir yörüngeden, çekirdeğe daha yakın olan bir başka yörüngeye “sıçradığında,” atom enerji kaybeder ve bu enerji dışa bir ışık fotonu olarak yayılır. Bu fotonun enerjisi tam olarak, iki yörünge arasındaki enerji farkına eşittir. Bunun zıt doğrultusunda bir atlamada ise atom, iki yörünge arasındaki enerji farkına eş düzeyde enerji taşıyan bir fotonu soğurur. Bu durumda, elektron bir yörüngeden çekirdeğe daha uzak olan bir başka yörüngeye sıçrar.

Devamını oku “Neden Atomların Tümü Aynı Değil?”

Birbirinden Ayırt Edemediğiniz Şeyler Girişimde Bulunur

Mikroskobik dünyadaki -atomun aynı anda birden çok yerde bulunabilme özelliği gibi- tüm garip davranışların, girişimden kaynaklandığını hatırlayın. Örneğin çift yarık deneyinde, ikinci perde üzerinde dönüşümlü olarak değişen karanlık ve aydınlık şeritlerin karakteristik desenini oluşturan, soldaki yarıktan geçen parçacığın bağlı olduğu dalga ile sağdaki yarıktan geçen parçacığın bağlı olduğu dalga arasındaki girişimdir.

Alternatiflerden hangisinin gerçekleştiğini anlamak için, parçacığın yarıkların hangisinden geçtiğini gözlemleyebileceğimiz bir düzenek oluşturduğumuzda, evre uyumsuzluğu yüzünden girişim şeritlerinin yok olacağını da hatırlayın. Görünen o ki girişim ancak birbirinin alternatifi durumundaki olaylar ayırt edilemez olduğunda gerçekleşmektedir – çift yarık deneyi açısından, bir yarıktan geçen parçacık ve diğer yarıktan geçen parçacık.

Çift yarık deneyinde, kimse gözlemlemediği sürece alternatif olaylar ayırt edilemez durumdadır. Diğer taraftan elektronlar gibi özdeş parçacıklar, başka türden ayırt edilemez olayların gerçekleşmesine de imkan tanır.

Kız arkadaşıyla dansa gitmeyi planlayan bir çocuk düşünelim. Kız arkadaşının da tek yumurta ikizi olsun. Ve kız arkadaşı evde kalıp televizyon izlemeyi tercih ettiğinden, kendi yerine ikiz kardeşini göndersin. Her iki kız da çocuğa aynı gözüktüğünden (elbette ki mikroskobik düzeyde asla özdeş olamazlar), kız arkadaşıyla dansa gitmek ve kız arkadaşının kardeşiyle dansa gitmek birbirinden ayırt edilemez olaylardır.

Görünüşte ayırt edilemez unsurlar içermelerinden dolayı, ayırt edilemez olan bu türden olayların, canı sıkılan özdeş ikizlerin erkek arkadaşlarıyla eğlenmesi gibi durumları bir kenara koyacak olursak, dünya üzerinde çok ciddi sonuçları olduğu söylenemez. Öte yandan mikroskobik dünya için durum farklıdır. Peki neden? Çünkü ayırt edilemez olaylar, buna yol açan her ne olursa olsun, birbirleriyle girişimde bulunabilir.

Özdeşlik ve Farklılığın Kökleri

Bir sabah uyandığımda, tüm eşyalarım çalınmış ve tıpatıp aynı olan eşleriyle değiştirilmişti.

Steven Wright

Yukarı doğru akan nehri görmek için her yerden geldiler. Nehir balıkçı limanını geçip bitişik nizam evlerin arasından tırmanarak, yamacı yılankavi bir şekilde aşıyor ve kasabaya tepeden bakan sarp zirveye ulaşıyordu. Şaşkın martılar nehre dalıp çıkıyor, heyecanlanan çocuklar yanı başında koşturuyorlardı. Ve nehrin aşağı kesimleri boyunca uzanan meyhanelerin önündeki piknik masalarında, bardaklardan tırmanan biralar kendilerini usulca yere dökerken, günübirlikçiler doğanın bu mucizesi karşısında yerlerine mıhlanıp kalmıştı.

Gerçekten de, yerçekimine bu şekilde meydan okuyarak yukarı doğru akacak bir sıvı türü olabilir mi? Evet, olabilir! Ve bu da, kuantum teorisinin bir başka marifeti.

Atomlar ve türevleri imkansız birçok şey yapabilir. Örneğin aynı anda iki yerde birden bulunabilir, aşılamaz sanılan engelleri rahatlıkla geride bırakabilir ve evrenin iki ayrı ucundayken bile birbirlerinin durumları hakkında anında bilgi sahibi olabilirler. Ayrıca bütünüyle öngörülemez bir durumdadırlar; yaptıkları hiçbir şeyin nedeni yoktur. Belki de karakteristik özelliklerinden en şaşırtıcı ve rahatsızlık verici olanı da budur.

Bütün bu özellikler, elektron, proton ve türevlerinin dalga/parçacık karakterinden kaynaklanır. Ancak mikroskobik nesneleri gündelik dünyanın bilindik cisimlerinden böylesine farklı kılan, yalnızca kendilerine özgü bu ikili doğaları değildir. Bir şey daha söz konusudur: ayırt edilemezlikleri. Her elektron diğer bir elektronla, her foton diğer bir fotonla özdeştir.

İlk bakışta bu, çok dikkate değer bir özellik gibi görünmeyebilir. Ancak gündelik dünyadaki nesneleri düşünün. Mesela aynı model ve renkte iki otomobil aynıymış gibi görünse de, aslında aynı değildirler. Dikkatli bir muayeneyle boyalarının düzgünlüğü, lastiklerinin hava basıncı gibi binlerce açıdan farklı oldukları anlaşılabilir.

Bu durumu küçük şeylerin dünyasıyla karşılaştıralım. Mikroskobik parçacıklar herhangi bir şekilde işaretlenemez. Bir elektronu mimleyemezsiniz! Köküne dek ayırt edilemez bir durumdadırlar. Aynı şey, fotonlar ve mikroskobik dünyanın diğer sakinleri için de geçerlidir. Bu ayırt edilemezlik, bizim için yabana atılmayacak bir yeniliktir ve hem mikroskobik dünya hem de gündelik hayatımız açısından çok mühim sonuçları vardır. Aslına bakılacak olursa, içinde yaşadığımız dünyanın var olmasının tek nedeninin bu olduğu söylenebilir.

Işınlanma (Teleportasyon) mümkün mü?

Belki de dolanıklığın potansiyel kullanım alanları içinde en çekici olanı, bir nesnenin tam tanımının uzak bir yere gönderilmesi ve bu uzak yerdeki yetkin bir makinenin aldığı bilgiyle nesnenin kusursuz bir kopyasını çıkarabilmesidir. Bu, sizin de tahmin ettiğiniz üzere, Enterprise mürettebatını rutin olarak bir yerlere “ışınlayan” Uzay Yolu ışınlayıcısının yöntemidir.

Katı bir nesneyi yalnızca bu nesneyi tanımlayan bilgiyle yeniden oluşturmak, sahip olduğumuz teknolojinin çok ötesinde bir durum. Fakat uzak bir noktada herhangi bir nesnenin kusursuz kopyasını yaratma fikri çok daha basit bir şeye dayanıyor. Heisenberg belirsizlik ilkesine göre, bir nesneyi kusursuz bir şekilde tanımlamak imkansızdır tüm atomlarının pozisyonları, bu atomların her birinin içindeki elektronların pozisyonları gibi verilerden bahsediyoruz. Peki öyleyse, bu türden bilgilerin tamamı olmaksızın kusursuz bir kopya nasıl oluşturulabilir?

Devamını oku “Işınlanma (Teleportasyon) mümkün mü?”

Kuantum Uzaktan Etki

Spin, yalnızca mikroskobik dünyada görülen bir durum. Spin durumundaki parçacıklar, küçük topaçlar gibi sanki kendi etraflarında dönüyorlarmış gibi davranırlar. Tek fark, aslında bunu yapmıyor oluşları. Yani kendi etraflarında dönmüyorlar! Bir kez daha, mikroskobik dünyanın idrak edilemez temeline iniyoruz. Parçacıkların spini, içsel öngörülemezlikleri gibi, gündelik dünyamızda doğrudan örneğini veremeyeceğimiz bir durum. Mikroskobik parçacıklar farklı miktarlarda spine sahip olabilir. Var olan en düşük spine sahip parçacık elektrondur; bu da onun iki farklı yönde dönebilmesini sağlar. Bu dönüş ya saat yönünde ya da saat yönünün tersinde olabilir (aslında hiç dönmüyor olsa da!).

Eğer ki biri saat yönünde, diğeri ise saat yönünün tersine bir spinle, iki elektron birlikte yaratılırsa, elektronların spini birbirini götürür. Fizikçiler bu durumda toplam spinin sıfır olduğunu söyleyecektir. Elbette tam tersi de geçerlidir. İlk elektron saat yönünün tersine, ikincisi ise saat yönünde bir spine sahip olsaydı da, toplam spin yine sıfır olurdu.

Devamını oku “Kuantum Uzaktan Etki”