Fizik

Zaman Kristalleri Nedir? Maddenin Bu Yeni Hali Ne Anlama Gelmektedir?

Zaman kristalleri ilk kez 2012’de Nobel ödüllü Frank Wilczek tarafından ortaya atılmıştı. Sonraki yıllarda fizikçiler bunun mümkün olduğunu ispatladılar. Peki ama zaman kristali nedir? Zaman ile kristal birbiri ile nasıl bir ilişki içinde olabilir?

Muhtemelen, günlük yaşamımızda her an karşımıza çıkan maddenin temel hallerine (katı, sıvı, gaz) oldukça aşinasınızdır. Ancak her biri farklı görünen ve farklı davranan bu üç farklı madde türü, evrenin tamamı değildir. Aslında bilim insanları sürekli olarak maddenin yeni hallerini keşfetmekle meşguldür. İşte zaman kristali de bunlardan birisi. Ayrıca, bu sadece teoride gerçek bir durum değil. Birkaç araştırmacı, bir kuantum bilgisayar kullanarak, zaman kristali yaratmayı başardılar.

Zaman kristali tam olarak nedir?

Elmas, zümrüt ve hatta bir buz küpü gibi herhangi bir kristali tanımlayan şey, kristalin atomlarının bir şekilde uzayda tekrar eden desenler halinde düzenlenmesidir. Uzayın üç boyutunun yanında bir de dördüncü bir boyutu olan zaman vardır. Bu nedenle fizikçiler, bir kristalin atomlarının zaman içinde tekrar eden desenlerde düzenlenip düzenlenmeyeceğini merak ettiler.

Normal kristaller, kafes yapılarını uzayda tekrarlar. Ancak bir zaman kristali bunun yerine kuantum durumunu zaman içinde tekrar edecektir.

Zaman kristalleri ise zaman boyutu içinde tekrarlayan yapılardır. Doğadaki bir elmas, dengeye ulaşmış yapıdadır ancak bir zaman kristali asla dengeye ulaşamaz. Diğer bir deyişle Termodinamik olarak denge-dışıdır. Bu tuhaf özelliklerinden ötürü zaman kristalleri, kuantum teknolojilerinde kendine bir uygulama alanı bulabilir.

Bu Fikir İle Nasıl Tanıştık?

Zaman kristalleri aslında oldukça yeni bir fikirdir, ilk olarak 2012’de Nobel ödüllü fizikçi Franck Wilczek tarafından teorize edilmiştir. Wilczek, zaman kristalleri fikrini yaratmak için düzenli kristallerin temel bir özelliğini ele almıştı. Bu özellik simetri kırılması idi.

Simetri kırılmasının ne olduğunu anlamak için suyu düşünün. Bir su damlacığında moleküller serbestçe hareket edebilir ve sıvı içinde herhangi bir yerde olabilir. Sıvı her yönde aynı görünür, yani yüksek derecede simetriye sahiptir. Su buz oluşturmak üzere donarsa, moleküller arasındaki kuvvetler devreye girer. Molekülleri kristal halini alacak şekilde yeniden düzenlenmeye zorlar ve moleküller düzenli aralıklarla yerleşir. Artık buzumuz başlangıçtaki su kadar simetrik yapıda değildir. Böylece sıvının simetrisinin kırıldığını söyleyebiliriz.

2012 yılında, Wilczek’in aklına bir soru geldi. Bir kristalin simetri kırılması ile aynı şekilde, zamanda simetriyi kıran bir kristal yapmanın mümkün olup olamayacağını merak etti. Böylece zaman kristali fikri doğmuş oldu. O zamandan beri geçen yıllarda, diğer fizikçiler zaman kristallerinin fiziksel varlıklarının neden imkansız olduğu hakkında çeşitli argümanlar sundu. Aslında bu fikrin imkansızlığını kanıtlayan bazı teoremler vardı. Biz bu teoremleri termodinamiğin ikinci yasası ve enerjinin korunumu adı ile biliyoruz.

Düşükten yükseğe enerji durumuna geçiş yapan bir sistemin orijinal durumuna kendiliğinden tekrar geri dönmesi ve daha sonra bu iki durum arasında ileri geri gidip gelmesi yani sonsuz bir hareket aslında bu nedenle mümkün değildir.

Zaman Kristaline Giden Yolculuk

Ancak teorisyenler kısa süre içinde bu teoremlerde bazı boşluklar buldu. Sonrasında da 2016 yılında, Maryland Üniversitesi’ndeki fizikçiler, bir iterbiyum atomu ile ilk zaman kristalini laboratuvarda yarattı. Bunun için, kapalı, sabit bir sistem yerine, denge dışı koşullara sahip bir sistemden yararlanmayı düşündüler. Araştırmacılar parçacıkların kuantum spini olarak bilinen özelliklerinin, dışarıdan uygulanan bir kuvvetle, nasıl devamlı olarak düzenli aralıklarla tersine çevrilebileceğini araştırdı. 

Zaman Kristalleri
Yukarıdaki görselde de görüldüğü üzre, sıralı bir şekilde birbirine eklemlenen tamamı dolaşık elektron spinine sahip 10 iterbiyum atomu zaman kristallerini oluşturuyor. Bu hali ile henüz bir zaman kristali özelliği kazanmayan atom grubu, iki ayrı lazer ile sıra ile vurularak sıfır enerji ile hareket kazanıyor. Lazerlerden birisi manyetik alan yaratırken, diğer lazer atom spinlerini kısmi olarak terse çeviriyor. Üstte dolanıklığa sokulan iterbiyum atomları ve altta elektron mikroskobunda gerçek resimleri yer alıyor.

Takip eden süreçte de Wilczek’in fikirleri doğrulanmış oldu. Zaman kristallerinin öngörülmesi, anlaşılması ve keşfedilmesi kuantum mekaniğinde yeni bir sayfa açtı. Bunun sonucunda da zaman kristallerinin kuantum bilgisayarlara makul bir şekilde uygulanabileceği kabul edildi. Bildiğiniz gibi, klasik bilgisayarlar gibi silikon parçaları kullanmak yerine, kuantum bilgisayarlar doğrudan atomlar veya parçacıklarla çalışır. Bu, fizikçilerin geleneksel bilgisayarlarla imkansız olan deneyler yapmalarını sağlar. Çünkü kuantum fiziği parçacıkların bir arada birden çok şey olmasına ve parçacıkların görünüşte imkansız mesafelerde etkileşime girmesine izin verir. 

Bir Kuantum Bilgisayar İle Zaman Kristali Sonunda Gerçek Oldu!

Zaman kristallerinin öyküsü, bir teorik fizikçinin güzel bir fikir ortaya atmasıyla başlamış ve şimdi ilk kısmı, 5 yılın ardından kesinleşmiş deneysel kanıtla tamamlanmıştı. Nihayet 2021 yılında, Stanford, Princeton ve diğer üniversitelerle iş birliği yapan Google araştırmacıları, Google kuantum bilgisayarını gerçek bir zaman kristali oluşturmak için kullandığını söyledi.

Önceki zaman kristallerinin çoğu kısa ömürlü ve birkaç ileri geri çevirme döngüsünde çözülmüş olsa da, bu son zaman kristali çalışmasının arkasındaki bilim insanları, yarattıkları şeyin kararlı yapıda olduğuna dikkat çekiyor. Peki, bu zaman kristalleri bize bir zaman makinesi yapmaya müsaade edecek mi? Cevap hayır, zaten amaç da o değil.

Ancak kuantum bilgisayarların daha sağlam hale gelmesine yardımcı olabilirler. Mühendisler, kuantum bilgisayarlarda bellek işlevi görecek bir şey yaratmak için uzun zamandır bir arayış içindeler. Fizikçiler, zaman kristallerinin bu amaca hizmet edebileceğini düşünüyor. Ayrıca bu çalışma kuantum bilgisayarların gücünün bir göstergesi olarak kabul ediliyor.



Kaynaklar ve ileri okumalar:


Dip Not:

Matematiksel, 2015 yılından beri yayında olan ve Türkiye’de matematiğe karşı duyulan önyargıyı azaltmak ve ilgiyi arttırmak amacıyla kurulmuş bir platformdur. Sitemizde, öncelikli olarak matematik ile ilgili yazılar yer almaktadır. Ancak bilimin bütünsel yapısı itibari ile diğer bilim dalları ile ilgili konularda ilerleyen yıllarda sitemize dahil edilmiştir. Bu sitenin tek kazancı sizlere göstermek zorunda kaldığımız reklamlardır. Yüksek okunurluk düzeyine sahip bir web sitesi barındırmak ne yazık ki günümüzde oldukça masraflıdır. Bu konuda bizi anlayacağınızı umuyoruz. Ayrıca yazımızı paylaşarak da büyümemize destek olabilirsiniz. Matematik ile kalalım, bilim ile kalalım

Matematiksel

Başa dön tuşu