Boyutların Ötesinde: Sadece Bir Çizgi Üzerinde Yaşayan Gizemli Parçacıklar
Araştırmacılar, ilk kez tek boyutlu anyonların özelliklerini tanımladılar ve bu parçacıkların mevcut deneysel düzenekler kullanılarak nasıl gözlemlenebileceğini özetlediler.
Fizikçiler geleneksel olarak üç boyutlu evrenimizdeki tüm temel parçacıkları iki gruba ayırmışlardır: bozonlar ve fermiyonlar. Bozonlar tipik olarak fotonlar gibi kuvvet taşıyan parçacıkları içerirken, fermiyonlar elektronlar, protonlar ve nötronlar da dahil olmak üzere maddeyi oluşturur.
Ancak daha düşük boyutlu sistemlerde bu net ayrım bozulmaya başlar. 1970’lerden beri bilim insanları, bozonlar ve fermiyonlar arasında yer alan ve anyonlar olarak bilinen üçüncü bir parçacık kategorisinin varlığını öngördüler. Bu parçacıklar ilk olarak 2020 yılında ultra ince, güçlü manyetize edilmiş yarı iletken sistemlerde deneysel olarak gözlemlendi.
Bu çalışmaya dayanarak, Okinawa Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (OIST) ve Oklahoma Üniversitesi’nden araştırmacılar, anyonların var olabileceği tek boyutlu bir sistemi belirlediler ve teorik özelliklerini analiz ettiler.
Makalelerin bulgularının grafiksel gösterimi. α ile etiketlenmiş bir düğme 0 ile 1 arasında çevrilebilir ve bu, matematiksel bra-ket gösteriminde iki Ψ olarak gösterilen bir değişim işlemi sırasında iki parçacığın simetrisini nasıl etkilediğini gösterir. Kaynak: Jack Featherstone
Ultra soğuk atomik sistemlerdeki tek tek parçacıkların kontrolünde kaydedilen ilerlemeler, bu fikirleri deneysel olarak keşfetmeyi mümkün kılmıştır. OIST’teki Kuantum Sistemleri Birimi’nden Profesör Thomas Busch, “Evrenimizdeki her parçacık kesinlikle iki kategoriye sığıyor gibi görünüyor: bozonik veya fermiyonik. Neden başka kategoriler yok?” diye soruyor. “Bu çalışmalarla, kuantum dünyasının temel özelliklerini daha iyi anlamanın yolunu açtık ve teorik ve deneysel fiziğin bizi buradan nereye götüreceğini görmek çok heyecan verici.”
Bozon/fermiyon ikiliğini kırmak
Geleneksel sınıflandırma, özdeş parçacıkların yer değiştirdiklerinde nasıl davrandıklarına bağlıdır. Üç boyutlu uzayda, deneyler yalnızca iki olası sonucu göstermektedir: ya sistem değişmeden kalır (bozonlarda olduğu gibi) ya da işaret değiştirir (fermiyonlarda olduğu gibi).
Bu davranış, ayırt edilemezlik kuantum ilkesine dayanmaktadır. Klasik nesnelerin aksine, özdeş kuantum parçacıkları etiketlenemez veya birbirinden ayırt edilemez. Bu tür iki parçacık yer değiştirdiğinde, sistem fiziksel olarak aynı kalmalıdır. OIST biriminde doktora öğrencisi olan Raúl Hidalgo-Sacoto’nun açıkladığı gibi: “Bu değişim hiçbir şey yapmamaya eşdeğer olduğundan, değişim faktörü olarak bilinen olayı yöneten matematiksel istatistikler basit bir kurala uymalıdır: değişim faktörünün karesi 1’e eşit olmalıdır. Bu kuralı sağlayan tek iki sayı +1 ve -1’dir. Bu nedenle tüm parçacıklar sırasıyla faktörü 1 olan bozonlar veya faktörü -1 olan fermiyonlar olmalıdır.”
Bu ayrım çok farklı fiziksel davranışlara yol açar. Bozonlar, parçacıkların aynı durumu paylaştığı lazerlerde veya Bose-Einstein yoğunlaşmalarında görüldüğü gibi, toplu olarak hareket etme eğilimindedir. Fermiyonlar ise aynı durumu işgal edemezler; bu özellik atomların yapısının ve periyodik tablonun temelini oluşturur.
Üç boyutta (artı bir zaman boyutu), parçacıklar yer değiştirirken yolları kesişmez (veya birbirine dolanmaz), çünkü zaman içindeki yörüngeleri kolayca geri alınabilir – bu, topolojik olarak hiçbir şey yapmamaya eşdeğerdir. Bu nedenle, burada P̂ olarak gösterilen değişim operatörü, orijinal durumun (veya dalga fonksiyonunun, ψ) artı veya eksisidir; sırasıyla bir bozon veya bir fermiyondur. 1 boyutta, yörüngelerin zaman içinde birbirlerinin etrafında dolanması için yer yoktur – kesişmeleri gerekir ve bu nedenle değişim operatörü, burada α olarak tanımlanan yolun kıvrımlarına ve dönüşlerine bağlıdır. Heyecan verici bir şekilde, araştırmacılar α’yı doğrudan etkilemenin deneysel yöntemini bulmuşlardır; bu da araştırmacılara 1 boyutlu parçacığın ne kadar bozonik veya fermiyonik olduğunu kontrol etme olanağı sağlamaktadır. (Kaynak: Jack Featherstone)
Daha düşük boyutlarda durum değişir. Parçacıkların birbirlerinin etrafında hareket etme yolları azalır ve değişimler uzay ve zaman içindeki yollarına bağlı hale gelir. Bu, parçacıklar yer değiştirdikten sonra sistemin artık özdeş bir duruma geri dönemeyeceği anlamına gelir. Hidalgo-Sacoto şöyle açıklıyor: “Daha düşük boyutlarda, bu değişim artık topolojik olarak hiçbir şey yapmamaya eşdeğer değildir. Ayırt edilemezlik yasasını sağlamak için, değişim faktörlerinin, yolların tam kıvrımlarına ve dönüşlerine bağlı olarak, değişimi açıklamak için sürekli bir aralıkta olması gerekir.”
Bu, değişim faktörleri +1 veya -1 ile sınırlı olmayan yeni bir parçacık sınıfına olanak tanır. Bu parçacıklara anyon denir.
Ayarlanabilir anyonlar için bir reçete
Hidalgo-Sacoto ve meslektaşları, yakın tarihli çalışmalarında, tek boyutlu sistemlerde bu genişletilmiş davranış aralığının devam ettiğini ve hatta ayarlanabileceğini göstermektedir. Tek boyutta, parçacıklar birbirlerinin etrafında hareket edemez ve bunun yerine birbirlerinin içinden geçmek zorundadırlar; bu da değişimlerinin nasıl tanımlandığını değiştirir.
Araştırmacılar, bu durumda değişim faktörünün, kısa mesafelerdeki parçacıklar arasındaki etkileşimlerin gücüyle doğrudan bağlantılı olduğunu gösteriyor. Bu ilişki, bilim insanlarının değişim davranışını kontrollü bir şekilde ayarlamasına olanak tanıyarak deneyler için yeni olanaklar açıyor.
Profesör Busch, “Sadece tek boyutlu anyonların var olma olasılığını belirlemekle kalmadık, aynı zamanda değişim istatistiklerinin nasıl haritalanabileceğini ve heyecan verici bir şekilde, momentum dağılımları aracılığıyla doğalarının nasıl gözlemlenebileceğini de gösterdik,” diye özetliyor. “Bu gözlemleri yapmak için gerekli deneysel düzenekler zaten mevcut. Bu alanda gelecekte yapılacak keşifleri ve bunun evrenimizin temel fiziği hakkında bize neler söyleyebileceğini görmek için heyecanlıyız.”
Kaynak. https://scitechdaily.com
Egzotik Madde Ortaya Çıkarıldı: Fizikçiler Bozonlardan Oluşan Bir Maddeye Rastladı