Dropleton Yeni Bir Parçacığımsı

Dropleton

Yeni Bir Parçacığımsı

Az sayıda parçacık içeren bir sistemdeki parçacıkların hareketlerini hesaplamak

görece daha kolaydır. Ancak sistemdeki parçacık sayısı arttıkça kuramsal

hesaplar giderek zorlaşır. Katılar ve sıvılar da çok sayıda parçacık içeren karmaşık

sistemlerdir. Yoğun madde fiziğinde, katılar ile ilgili çalışmalarda

sıklıkla başvurulan bir yöntem, sistemin durumunun parçacığımsılar

kullanılarak tanımlanmasına dayanır.

Parçacığımsılar gerçek anlamda parçacık değildir.

Ancak kuramsal hesaplar, parçacıklar yerine parçacığımsılar

kullanılarak yapıldığı zaman hayli kolaylaşır.

TÜBİTAK Bilim ve Teknik Dergisi Dr. Mahir E. Ocak

Bilim ve Teknik Ağustos 2014

B

parçacı-ğımsıdan biri eksiton. Katıların bant kuramına göre çok sayıda atomun bir araya gelmesiyle her biri çok sayıda enerji seviyesi içeren bantlar oluşur. Mut-lak sıfır sıcaklığında, elektronlar bu bantları en dü-şük enerji seviyelerinden başlayarak doldurur. Daha yüksek sıcaklıklarda ise bazı elektronlar uyarılarak daha yüksek enerjili seviyelere geçer. Bu sırada dü-şük enerjili seviyeleri içeren bantlar içinde boşluk-lar oluşur. Bu durumdaki bir katının içindeki elekt-ronların hareketini hesaplamak hayli zordur. Çün-kü elektronlar katının içindeki diğer tüm parçacık-larla etkileşir ve parçacıkların sayısı doğru, kesin ku-ramsal hesaplar yapmayı imkânsızlaştırır. Eksitonlar kullanarak hesap yapmak ise çok daha kolaydır. Ek-sitonlar, bir elektron ile bir “boşluktan” oluşan par-çacığımsılardır. Eksitonların katılar içindeki hare-ketleri, noktasal parçacıkların boşluktaki hareket-lerine benzer. İki eksiton bir araya gelerek bieksiton adı verilen molekülleri de oluşturabilir. Ayrıca çok sayıda eksitondan oluşan polieksitonların da var ola-bileceği ileri sürülüyor.

Colorado Üniversitesi (ABD) ve Philipps Ünivesitesi’nde (Almanya) çalışan araştırmacılar, yeni bir parçacığımsı buldu. Dropleton adı verilen parçacığımsı çok sayıda eksitondan meydana geli-yor ve diğer tüm parçacığımsılar gibi katıların için-de oluşuyor. Dropletonu diğer parçacığımsılardan ayıran en önemli şey ise özelliklerinin sıvılara ben-zemesi.

Dropletonun varlığı önceden kuramsal olarak öngörülmemiş. Keşif, galyum arsenik (GaAs) ile ya-pılan deneylere dayanıyor. Lazer atımları kullanıla-rak uyarılan sistemde eksitonlar oluşuyor ve eksi-tonların sayısı lazer atımının yoğunluğuna bağlı ola-rak monoton bir biçimde artıyor. Oluşan elektron-boşluk plazmasının yoğunluğu belirli bir değerin üzerine çıktığı zaman bir kuantum damlacığı (drop-leton) oluşuyor. Damlacığın boyutları küçük oldu-ğu için sistem ancak belirli enerji seviyelerinde bu-lunabiliyor.

Yeni parçacığımsının sıvı olarak sınıflandırılma-sının nedeni sistemin çift-bağlılaşım fonksiyonu-nun sıvılarınkine benzemesi. Belirli bir parçacık-tan olan uzaklığa bağlı olarak yoğunluğun değişi-mini veren bu fonksiyonun grafiği, katılarda düzen-li bir biçimde tekrar eden tepelerden oluşur. Sıvıla-rın çift-bağlılaşım grafiklerinde ise tepe noktaları-nın yüksekliği uzaklık arttıkça azalır. İki tepe arasın-daki mesafe tanecikler arasınarasın-daki ortalama uzaklığa karşılık gelir. Dropletonun çift-bağlılaşım fonksiyo-nunun katılardan çok sıvılara benzediği görülüyor.

Dropletonun çift-bağlılaşım fonksiyonu polar ko-ordinatlarda çizildiği zaman sıvılara benzer biçimde halka desenleri gösteriyor. Sıvılardan farkı ise parça-cıklar arasındaki mesafe sıfıra yaklaşırken fonksiyo-nun değerinin sıfıra yakınsamaması. Sıvıların için-deki moleküller kısa mesafelerde birbirlerini ittikleri için, tanecikler arasındaki mesafe sıfıra yaklaşırken sıvıların çift-bağlılaşım fonksiyonu sıfıra yakınsar. Dropletonu oluşturan elektronlar ve boşluklar ise zıt yüklü oldukları için kısa mesafelerde birbirlerini çe-ker. Bu yüzden parçacıklar arası mesafe sıfıra yak-laşırken dropletonun çift bağlılaşım fonksiyonu sı-fırdan farklı bir değer alıyor. Fonksiyonun grafiğin-de sagrafiğin-dece dört halka görülüyor ve parçacıklar arası mesafe belirli bir değerin üzerine çıkınca fonksiyo-nun değeri tamamen sıfıra iniyor. Bu durum, drop-letonun kendisini çevreleyen yüksek yoğunluklu or-tamın oluşturduğu basınç nedeniyle bir baloncuğun içine hapsolduğu anlamına geliyor. Dropletonun tüm bu özelliklerinin Thomson tarafından geliştiri-len modeldeki atomlara benzediği söygeliştiri-lenebilir. Bu-gün geçerliliğini yitirmiş olan Thomson atom mo-deline göre atomlar belirli bir hacmin içine dağılmış artı ve eksi yüklü parçacıklardan oluşur. Dropleton da Thomson modelindeki atomlara benzer biçimde belirli bir hacmin içine dağılmış eksi yüklü elektron-lardan ve artı yüklü boşlukelektron-lardan oluşuyor.

Oluşan parçacığımsı sadece 25 pikosaniye (sani-yenin trilyonda biri) kadar kararlı kalıyor. Ancak bu süre karmaşık parçacığımsılar için uzun sayılır ve dropletonlar üzerinde deneyler yaparak veri topla-mak mümkün. Bu kuantum damlacıklarını kullana-rak yeni bir alet geliştirmek mümkün olmasa da, ya-pılacak deneyler ile pek çok konunun daha iyi an-laşılabileceği düşünülüyor. Boyutları iki yüz nano-metre (nanonano-metre = nano-metrenin milyarda biri) kadar olan bir dropletonun büyüklüğü neredeyse en küçük bakteriler kadar ve eksitonların büyüklüğünün on katından daha fazla. Dolayısıyla dropletonlar ile ya-pılacak deneyler sayesinde çok sayıda parçacık içe-ren sistemlerin kuantum mekaniği hakkında önem-li bilgiler edinilebiönem-lir.

Kaynak

• Almand-Hunter, A. E. ve ark., “Quantum droplets of electrons and holes”, Nature, Cilt 506, s. 471, 2014.

Damlacık Bieksiton Eksitonlar Plazma > <