Kuantum mekaniği, atomu oluşturan parçacıklarla ilgilenen fizik dalı. Kuantum mekaniğini kuran isimlerden Alman fizikçi Werner Heisenberg’in çok ünlü bir “belirsizlik prensibi” var: Bir elektronun aynı anda hem hızını hem yörüngesini bilemezsiniz.
Bu prensibin temelinde, elektronun gözlendiği anda adeta gözlenmekte olduğunu biliyormuş gibi davranması yatıyor. Yine bu prensipten hareketle elektronun bir sonraki davranışını, yani nerede olacağını bilemiyoruz.
Heisenberg’in bu ilkesine ortaya atıldığı ilk günden beri, başta Albert Einstein olmak üzere pek çok kişi itiraz etti, bu ilkeyi yanlışmanın peşine düştü ama başarısız oldu. 100 yıldır belirsizlik ilkesi girdiği her deneyden başarıyla çıktı, onu kimse yanlışlayamadı.
Aslında bu ilke bugün de hala yanlışlanmış değil ama 40 yıl önce teorik olarak ortaya atılan bir fikir yakın zamanda deneysel olarak da kanıtlandı ve belirsizlik duvarında minik bir çentik açıldı.
Bundan 40 yıl önce, Harvard Üniversitesinden bir fizikçi, Eric J. Heller, belirli şartlar altında elektronların kaotik davranmak yerine belirli bazı yörüngeleri izleyeceklerini söyledi, buna da “kuantum patikası” adını verdi. 1984’te bu makalesini yayınladığında Heller’ı pek az kişi ciddiye aldı, hatta ona gülenler, alay edenler oldu.
Heller’ın bizim burada “kuantum patikası” diye çevirdiğimiz kavramının İngilizcesi “quantum scars.” Ama burada “scar” (yara) diye kastedilen şey, parklarda, bahçelerde çok sık gördüğümüz bir fenomen: Bir park içinde o parkın tasarımcıları hangi yolları yaparsa yapsın, o parkta vakit geçiren veya parkın içinde gelip geçen insanlar kendilerine göre farklı yollar seçebiliyor. Daha ilginci bu seçilen yollar bir biçimde birbirine benzeyebiliyor, o yollar çimenin üzerinde patika benzeri izler açabiliyor. Çünkü insanlar kendileri açısından olabilecek en kısa yolu hep tercih ediyorlar.
İşte Heller, aynı şeyi elektronlar için düşünmüş ve onların belirli şartlar altında kaotik davranmak yerine “kuantum patikaları”nda yol alacaklarını söylemiş bundan 40 yıl önce.
Şimdi, aralarında 40 yıl önce bu teoriyi ortaya atan Heller’ın da bulunduğu geniş bir fizikçi grubu, bu teoriyi laboratuvarda denedi ve kanıtladı. Bu kanıtlamaya ilişkin makale 27 Kasım 2024 günü Nature dergisinde yayınlandı. Bu makalenin anlattığı deneyin önemi, elektronun davranışının fotoğraflanmış da olması.
Yukarıdaki fotoğraf deneyden alınma. Yatay bir 8 rakamı veya sonsuzluk işareti şeklindeki ‘kuantum patikası’ belirgin biçimde gözüküyor. Ölçek nanometre.
Deneyi anlatmak için bir benzetmeye başvuracağız: Bir bilardo masası ve masadaki bir bilardo topunu düşünün. O top, kaotik kurallara dayalı bir elektron olsaydı, masanın bir o kenarına bir bu kenarına çarpa çarpa en sonunda masanın tamamında minicik bir boşluk bile bırakmadan dolaşmış olurdu. Ama Heller 40 yıl önce böyle bir kapalı ortamda elektronların belirli bir yörüngede kalacağını, kendilerine patika yaratacağını öngörmüştü.
Deney için işte bu bilardo masasına benzer ama fizikçilerin ‘stadyum’ dediği bir kapalı ortam yaratılmış. Yani bilardo masasının kısa kenarlarının yuvarlatıldığı bir şekil hayal edin, öyle bir kapalı ortam.
Bu kapalı ortamı mucizevi bir materyal olan grafenle yaratmış fizikçiler. Grafen sadece bir atom yüksekliğinde olan, kuantum ölçeğinde üç boyutlu olduğu halde çoğu zaman “iki boyutlu materyal” diye söz edilen bir şey. En önemli özelliği sertliği.
Fizikçiler bu ortamı gözlemek için elektron mikroskopları ve o mikroskoptan çıkan elektronların gözlenen ortamı bozmaması için de bir dizi özel önlem uygulamış.
Ve en sonunda bu ‘stadyum’a hapsedilmiş olan elektronların sonsuzluk işaretine benzeyen, yatay bir 8 rakamı şeklinde bir yörünge oluşturup hep bu yörüngede kaldıkları gözlenmiş.
Bu deney, evet belirsizlik ilkesi duvarına açılmış minik bir çentik, duvar yerinde duruyor ve söylediği şey hala geçerli ama yine de kapalı bir alanda elektronların böyle hareket etmesinin sağlanmasının insanlığa getireceği çok şey var.
Bunların başında da elektronik endüstrisi geliyor. Bu sayede çok daha az enerji kullanan ve çok daha hızlı hareket eden transistörler yapmak mümkün olabilecek. Çünkü hiç rahatsız edilmeden yörüngesinde dolaşan elektrona kodlanacak bir enformasyon hiç bozulmadan bir uçtan diğerine aktarılabilecek.
Benzer şekilde bu deneyin sonuçları kuantum bilgisayara da uyarlanabilir ve kuantum bilgisayarların çok daha güvenilir sonuçlar üretmesine müthiş yardımcı olabilir.
Kısacası 40 yıl önce kurulan bir hayal, yazılan bir teori bugün kanıtlandı ve en başta elektronik endüstrisi olmak üzere yeni teknolojiler geliştirmek isteyenlere çok şey vaat ediyor.
