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.

Lazerler ve Yukarı Doğru Akan Sıvılar

Şu ana dek değerlendirdiğimiz tüm süreçler, çarpışan ve belirli bir yönde seken parçacıkları içermekteydi. Ancak bu zaruri bir durum değil. Üzerinde konuştuğumuz konular, parçacıkların yaratılması için de aynı şekilde geçerlidir. Örneğin ışık yayan atomlar tarafından, fotonların “yaratılması” için.

Fotonlar bozon sınıfında olduğundan, atomun bir fotonu belli bir yönde ve belli bir enerjiyle yayma olasılığı, eğer halihazırda bu yönde aynı enerjiyle uçuşan n sayıda foton varsa n + 1 kat artacaktır. Yayılan her yeni foton, bir başka fotonun yayılma şansını arttırır. Ve uzayın içinde hep birlikte uçuşan binlerce, hatta milyonlarca foton olduğunda, atom tarafından yeni fotonların yayılması olasılığı da muazzam derecede yükselir.

Sonuçlar etkileyicidir. Güneş gibi normal bir ışık kaynağı, her biri farklı enerji düzeylerinde fotonların kaotik bir bileşimini üretirken; lazer, uzayda uygun adım kusursuz bir tempoyla ilerleyen, durdurulamaz bir foton akışı üretir. Aslında lazer, bozonların girişkenliğine verilebilecek örneklerden yalnızca birisidir. Örneğin bozon atomlardan oluşmuş sıvı helyumu ele alalım.

Sıvı helyum yeterince düşük derecelere soğutulduğunda, tüm helyum atomlarının birdenbire aynı durum içinde toplaşmak için çabalamaya başlayacağı bir an gelir. Bu duruma Bose-Einstein yoğunlaşması denmektedir.

Tüm helyum atomları aynı durumda olduğunda, sıvı­nın bir parçasının, geri kalandan farklı bir şekilde hareket etmesi imkansız ya da en azından aşırı güçtür. Bazı atomlar ilerliyorsa, bütün atomların da ilerlemesi gerekir. Bu nedenle de sıvı helyumun hiç viskozitesi yoktur. Artık bir süperakışkandır.

Süperakışkan durumundaki sıvı helyumun içindeki atomların hareketlerinde bir tür katılık, değişmezlik söz konusudur. Sıvının herhangi bir şey yapmasını sağlamak çok güçtür, çünkü bunun için bütün atomlarını söz konusu şeyi yapmaları için ikna etmeniz gerekir; aksi takdirde bu şeyi asla yapmayacaklardır.

Süperakışkan sıvı helyum içindeki atomların bu “anca beraber kanca beraber” tavrı daha da tuhaf bir olaya yol açmaktadır. Örneğin süperakışkanlar, başka hiçbir sıvının geçemeyeceği küçüklükteki deliklerden akıp geçebilir. Aynı zamanda süperakışkanlar, yukarı doğru akabilen tek sıvı türüdür.

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?”

Parçacıkların İki Kabilesi

Çekirdeklerin farklı olduğu durumu (karbon ve helyum) hatırlayın ve iki olası çarpışma olayını yeniden değerlendirin. Birinde, çekirdekler birbirlerini sıyırarak geçerken, diğerinde kafa kafaya çarpışarak geldikleri yönde geriye sekerler. Bunun anlamı, 9:00 yönünden gelen çekirdek için, 4:00 ve 10:00 yönlerine yönelmesiyle bağlantılı iki dalganın olmasıdır.

Burada anlaşılması gereken temel nokta, bir olayın olasılığının, bu olayla bağlantılı dalganın yüksekliğiyle değil, dalganın yüksekliğinin karesiyle bağlantılı olmasıdır. Dolayısıyla 4:00 yönündeki olayın olasılığı 4:00; 10:00 yönündeki olayın olasılığı ise 10:00 yönündeki dalga yüksekliğinin karesidir. İşte tam da burada, yukarıda bahsettiğimiz ince nokta devreye giriyor.

10:00 yönünde uçan çekirdekle bağlantılı dalganın ters döndüğünü varsayalım. Bu durumda dalganın dip noktaları tepe, tepe noktaları ise dip noktaları olacaktır.

Devamını oku “Parçacıkların İki Kabilesi”

Özdeş Şeylerin Çarpışması

Çarpışan iki atom çekirdeğini ele alalım. Bu türden bir çarpışma, çekirdeklerin zıt yönlerden birbirlerine doğru geldiği, çarpıştığı ve ardından yine zıt yönlerde uzaklaştığı bir bakış açısından değerlendirilebilir (ki bu bakış açısının doğruluğuna güvenmek durumundayız). Genel olarak, içeri ve dışarı doğru olan bu yönler aynı değildir. Bu durumu bir saat üzerinde düşünelim. Eğer ki çekirdekler çarpışma noktasına saat 9:00 ve 3:00 yönlerinden gelecek olursa, çarpışmanın ardından saat 4:00 ve 10:00 yönlerinde uzaklaşabilirler. Ya da 1:00 ve 7:00 yönlerinde. Önemli olan, yönlerin birbirine zıt olmasıdır.

Bir araştırmacı, iki çekirdeğin hangi yönde sektiğini, hayali bir saat kadranı üzerinde zıt yönlere dedektörler yerleştirerek ve saati çevirerek gözlemleyebilir. Dedektörlerin 4:00 ve 10:00 noktalarında olduğunu düşünelim. Bu durumda, çekirdeklerin dedektörler tarafından algılanmasının iki olası yolu vardır. Çekirdekler birbirlerini sıyırarak geçebilir ve 9:00 yönünden gelen çekirdek 4:00’deki dedektöre, 3:00 yönünden gelen çekirdek ise 10:00’daki dedektöre çarpabilir. Ya da kafa kafaya çarpışırlar ve 9:00 yönünden gelen çekirdek neredeyse geldiği yönde geri sekerek 10:00 noktasındaki dedektöre; 3:00 yönünden gelen çekirdek ise aynı şekilde geldiği yöne doğru sekerek 4:00 noktasındaki dedektöre çarpar.

Devamını oku “Özdeş Şeylerin Çarpışması”

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.