Nobel Fizik Ödülü Kuantum Sistemlerine Benzer Davranan Makroskobik Sistemlerin Yaratılması Nedeniyle Verildi
2025 Nobel Fizik Ödülü, makroskobik düzeyde kuantum özelliklerini gösteren bir dizi deney nedeniyle Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley, ABD’den John Clark ile Kaliforniya Üniversitesi, Santa Barbara, ABD’den Michel Devore ve John Martinis’e verildi.
Bilim insanları, kuantum mekaniğinin öngördüğü gibi, katı bir duvardan geçiyormuş gibi bir durumdan diğerine tünelleme yapabilen ve enerjiyi kuantumlu parçalar halinde emebilen avuç içi büyüklüğünde bir süperiletken elektrik sistemi yarattılar. Bu keşif, kuantum bilgisayarlarının yaratılmasının önünü açtı.
Nobel Ödülü hakkında bir gerçek. Alfred Nobel, vasiyetinde Nobel Matematik Ödülü’nden bahsetmemiş ve bu da birçok efsaneye yol açmıştır. En popüler olanı, matematikçi Magnus Mittag-Leffler’in Nobel’in gözde rakibi olduğunu ve dinamitin mucidi olarak rakibinin ödülü almasını istemediğini iddia eder. Aslında birbirlerini tanımıyorlardı bile.
Daha sıradan bir sebep var: Nobel, matematiği insanlık için pratik kullanımından çok uzak, fazlasıyla teorik bir bilim olarak görüyordu. Matematikçiler zaman zaman ödüller, tabiri caizse “kaçak mal” alırlar; bunlar Alfred Nobel Ekonomi Anma Ödülleri’dir. Örneğin, Sovyet matematikçi Leonid Kantoroviç, doğrusal programlama algoritması için ekonomi ödülünü (1975) ve John Nash, Nash dengesi için (1994) ödül aldı. Ancak bunlar nadir istisnalardır.
1984-1985 yıllarında, Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley’deki üç fizikçi, kuantum dünyasının tuhaf yasalarını atom altı parçacıkların ve etkileşimlerinin mikroskobik gerçekliğinden çıplak gözle görülebilen makroskobik boyuta genişleten deneyler yürüttüler. Kuantum etkileri genellikle yalnızca temel parçacıklar düzeyinde gözlemlenir. Duvara bir top atarsanız, geri seker. Ancak tek bir parçacık, bariyerin diğer tarafında, sanki içinden geçiyormuş gibi aniden belirebilir. Bu sürece kuantum tünelleme denir.
Duvara bir top attığınızda, geri sekeceğinden emin olabilirsiniz. Top aniden duvarın diğer tarafında belirirse çok şaşıracaksınız. Kuantum mekaniğinde bu olguya tünelleme denir ve kuantum mekaniğine “tuhaf” bir bilim olarak ün kazandıran da tam olarak budur.
Fizikçiler, ince bir yalıtım tabakasıyla ayrılmış iki süperiletkenden bir elektrik devresi oluşturdular. Süperiletkende elektronlar, Cooper çiftleri adı verilen yapılar oluşturarak akımın iletkenden dirençsiz bir şekilde akmasını sağlar.
Tüm bu çiftler, tüm devreyi dolduran tek bir dev parçacık gibi davranır. Fizikçilerin kurduğu sistem sıfır voltaj durumundaydı; yalıtım tabakası nedeniyle akım iletkenden geçemiyordu. Ancak kuantum tünelleme sayesinde sistem aniden bu durumdan çıkarak elektrik voltajı üretti.
George Gamow, yaklaşık yüz yıl önce, özel bir nükleer bozunma türü (alfa bozunması) için tünellemenin gerekli olduğunu gösterdi. Atom çekirdeğinin küçük bir parçası serbest kalır ve atomun sınırlarının dışına çıkar.
Deneyi oluşturmak için onlarca yıllık teorik ve teknolojik geliştirme süreci gerekti. Tünelleme olgusu, Sovyet fizikçi George Gamow’un ağır atom çekirdeklerinin bozunmasını açıkladığını fark ettiği 1928 yılından beri biliniyor. Tünelleme olmadan alfa bozunması imkânsız olurdu. Leon Cooper, Cooper çiftlerini keşfetmesiyle 1972’de Nobel Ödülü’nü aldı. İki süperiletken arasındaki arayüzde meydana gelen bir olgu olan Josephson etkisinin keşfi, Brian Josephson’ın 1973’te Nobel Ödülü’nü kazanmasında kilit rol oynadı.
Üstteki görsel: Normal bir iletkende elektronlar birbirleriyle ve malzemeyle çarpışır. Ortadaki görsel: Bir malzeme süper iletken olduğunda, elektronlar Cooper çiftleri adı verilen çiftler halinde birleşerek dirençsiz bir akım oluşturur. Görseldeki boşluk bir Josephson bağlantısını temsil eder. Alttaki görsel: Cooper çiftleri, tüm elektrik devresini dolduran tek bir parçacıkmış gibi davranabilir. Kuantum mekaniği bu kolektif durumu ortak bir dalga fonksiyonu kullanarak açıklar. Bu dalga fonksiyonunun özellikleri, ödül alanların deneyinde merkezi bir rol oynar.
Bugünün ödül sahipleri, bir sistemin tünellemeden önce sıfır voltaj durumunda ne kadar süre geçirdiğini ölçtüler. Kuantum mekaniği bir rastlantısallık unsuru içerdiğinden, fizikçilerin radyoaktif çekirdeklerin yarı ömürlerini ölçmelerine benzer şekilde, çok sayıda ölçüm gerçekleştirip istatistiksel grafikler oluşturdular.
Schrödinger’in Kuantum Kedisi Gerçek Oluyor
Ancak asıl keşif, enerji kuantizasyonunun gösterilmesiydi. Bilim insanları, sisteme farklı dalga boylarında mikrodalga radyasyonu yönelttiler. Bazı dalgalar emilerek sistem daha yüksek bir enerji seviyesine çıktı. Sistem daha fazla enerji içerdiğinde, sıfır voltaj durumunun daha kısa sürdüğü ortaya çıktı; tıpkı kuantum mekaniğinin öngördüğü gibi. Sistem, yalnızca kuanta adı verilen belirli kısımlarda enerjiyi emip yayabiliyordu.
Bir bariyerin arkasındaki kuantum mekaniksel bir sistem, değişen miktarlarda enerjiye sahip olabilir, ancak bu enerjinin yalnızca belirli bir miktarını emebilir veya yayabilir. Sistem kuantumludur. Tünelleme, daha yüksek enerji seviyelerinde, daha düşük enerji seviyelerine göre daha kolay gerçekleşir, bu nedenle istatistiksel olarak, daha yüksek enerjili bir sistem, daha düşük enerjili bir sisteme göre daha kısa süre hareketsiz kalır.
Deney, kuantum mekaniği anlayışımız üzerinde derin etkilere sahip. Daha önce, lazerler veya süperiletkenlik gibi makroskobik kuantum etkilerinin birçok ayrı mikroskobik süreçten oluştuğu düşünülüyordu. Ancak burada, makroskobik etki -ölçülebilir voltaj- kendisi de makroskobik olan ve milyarlarca Cooper çifti için ortak bir dalga fonksiyonuyla tanımlanan bir durumdan ortaya çıktı.
John Clark, Michel Devore ve John Martinis, süperiletken bir elektrik devresi kullanarak bir deney gerçekleştirdiler. Bu devreyi depolayan çip yaklaşık bir santimetre boyutundaydı. Daha önce, tünelleme ve enerji kuantizasyonu yalnızca birkaç parçacıktan oluşan sistemlerde incelenmişti; burada ise bu olgular, çip üzerindeki tüm süperiletkeni dolduran milyarlarca Cooper çiftinin bulunduğu kuantum mekanik bir sistemde kendini gösterdi. Böylece deney, kuantum mekanik etkileri mikroskobikten makroskobik ölçeğe taşıdı.
Teorisyenler bu sistemi, Erwin Schrödinger’in aynı anda hem canlı hem de ölü olan bir kedi hakkındaki düşünce deneyine benzetiyorlar. Schrödinger, kuantum özelliklerinin makro düzeydeki saçmalığını göstermek istiyordu. Milyarlarca Cooper çiftinden oluşan bir sistem, bir kedi yavrusundan kat kat daha küçüktür, ancak deney sistemin kuantum özelliklerini bir bütün olarak ölçtüğü için, bir kuantum fizikçisi için Schrödinger’in hayali kedisine oldukça yakındır.
Bu keşif, deneyler ve teknolojiler için yeni olanaklar yarattı. Makroskobik bir kuantum sistemi, kabloları ve konektörleri olan yapay bir atom olarak görülebilir. John Martinis daha sonra enerji kuantizasyonunu kullanarak bir kuantum biti (kübit) -kuantum bilgisayarındaki bir bilgi birimi- oluşturdu. Süperiletken devreler artık kuantum bilgisayarlarının geliştirilmesinde önde gelen teknolojilerden biridir.
Nobel Ödülü’nden alınan materyallere dayanmaktadır .
Derleyen: Feyza ÇETİNKOL
Kaynak: Nobel Fizik Ödülü Kuantum Sistemlerine Benzer Davranan Makroskobik Sistemlerin Yaratılması Nedeniyle Verildi
Bilim İnsanları İnsanlarda “Uzaylı DNA’sı”na Dair Kanıt Buldu