Kuasi Parçacıklar Nelerdir? Teknolojideki Yeri Nasıldır?

Kuasi parçacıklar (İng:"Quasi particles", diğer adıyla "yarı parçacıklar") yoğun madde fiziğinde sık kullanılan terimlerden biridir. Tanım olarak katılardaki temel uyarılmaları parçacık olarak inceleyen fiziksel bir kavramdır. Yani kuasi parçacıklar, fiziksel manada parçacık değildir. Enerji kaynaklı olan bu uyarılmalar madde enerji eşliğine dayanarak parçacık olarak ele alınmıştır.

Nasıl ki kozmik ışınlar sonucu fotonun enerjisi kısa ömürlü parçacıklar olan müon, pion gibi parçacıklara dönüşebiliyorsa veya CERN'deki parçacık hızlandırıcılarında kinetik enerji yeni parçacıklar oluşmasına etki edebiliyorsa katılardaki kolektif uyarılmalar da madde olarak kabul edilebilir. Kuasi parçacıklar normal madde parçacıkları ile benzerlikler taşımaktadır, ancak deneysel zorluklardan dolayı doğrudan gözlemlenememiş teorik parçacıklar olmaları onları normal madde olmaktan öte tutan bir özelliğidir.^[1]

Kuasi Parçacık Teorisi Nasıl Ortaya Çıktı?

Kuasi parçacık fikri ilk olarak Sovyet-Azerbaycan asıllı fizikçi Lev Landau tarafından "Fermi Sıvı Teorisine" dayandırılarak ortaya çıkmıştır. Sonrasında Alexei Abrikosov ve Isaak Khalatnikov tarafından geliştirilmiştir.^[2] Fermi Sıvı Teorisi düşük sıcaklıklarda çoğu metaldeki iletim elektronların normal durumunu tanımlayan etkileşimli fermiyonların teorik bir modelidir. Teori, Fermi sıvısının Fermi gazı ile benzerliğinin ve farklılığının nedenini sorgular.

Etkileşimsiz bir Fermi gazının içeriği momentum durumlarını işgal eden fermiyonlardan oluşur. Fermiyonlar arasında etkileşim olduğunda fermiyonların spini, yükü ve momentumu değişmeden kalırken kütle, manyetik moment gibi dinamik özellikleri değişir. Fermi gaz sisteminin temel uyarılmaları ile Fermi sıvı sisteminin temel uyarılmaları arasında bu nedenle ilişki vardır. Landau, Fermi gazının "sıvılaşması" sırasındaki bu fermiyon aktivitesinin sebebinin etkileşmeyen fermiyonlarla yer değiştiren etkileşen kuasi parçacıklar olacağını ortaya atmıştır.

Bazı Kuasi Parçacıklar

Teorileştirilmiş onlarca kuasi parçacık vardır. Kuasi parçacıkların keşfedilmesine ve anlamlandırılmasına yönelik araştırmalar geçmişten günümüze devam etmektedir. Yani, hâlâ yeni kuasi parçacıklar keşfedilebilir. Bu yazıda kuasi parçacıkların bazılarına değinilecektir.

Elektron Boşluğu

Elektron boşluğu (İng: "Electron hole") bir atomda veya bir alandaki elektron eksikliğidir. Elektronun yükü normal bir atomda çekirdekteki proton tarafından dengelenir. Diğer koşullarda ise bir noktadaki elektron yokluğu orada pozitif bir yük oluşturur. Mesela bir atom bir foton tarafından uyarıldığında elektron yüksek enerji seviyesine geçer ve ilk durumdaki konumunda elektronun yüküne eşit büyüklükte pozitif yüklü bir boşluk bırakır. Bu boşluk elektron boşluğu olarak adlandırılır.

Elektron boşluğu yarı iletken maddelerde taşınabilir.^[3] Yarı iletkenlerde elektrik akımı oluşmasında önemli bir etken olması ve elektron boşluğunun yarı iletken maddelerde taşınabilmesi dolayısıyla transistör, diyot, çip gibi yarı iletkenlerin çalışmasında önemli rolü vardır.

Eksiton

Eksiton (İng. "Exciton") basitçe, bir elektron deliği ve bir elektronun Coulomb etkileşimi ile birbirine bağlanmış halidir.^[4] Bu onu yük olarak nötr kılar. Parçacık-yarıparçacık çiftinin ayrılması içinse enerji gerekir. Eksiton bağlanma enerjisi, bir eksitonun kendisini oluşturan elektron ve boşluk yükü taşıyıcılarına ayrıştırılması için gereken enerjiyi temsil eder. Daha yüksek bir eksiton bağlama enerjisi; daha uzun ömürlü, daha kararlı bir eksitonu gösterir. Eksiton bağlanma enerjisi, elektrik yükünün karesi ile doğru orantılı; malzemenin dieletrik sabiti, vakum dieletrik sabiti ve elektron ile delik arasındaki mesafe ile ters orantılıdır.

Ossila

İki farklı eksiton tipi vardır: Bunlardan biri Frenkel eksitonu diğeri ise Wannier-Mott eksitonudur. Frenkel eksitonları atom yarıçapına benzer büyüklükte bir yarıçapa sahip, sıkı sıkıya bağlı eksitonlardır. Wannier-Mott eksitonları daha büyük bir eksitonik yarıçapa sahiptir.^[5]

Fonon

Fonon (İng: "Phonon") kristal örgülerdeki birden fazla atomun ortak titreşimidir. Bu ortak titreşimler bir tesadüfe bağlanmamış ve titreşim için gerçekleşen uyarılmaların yarı madde kaynaklı olduğu kabul edilmiştir. Fonon kelimesi foton kelimesi ile karıştırılabilir ve bu iki parçacık arasındaki benzerlik kelime benzerliğinden ibaret değildir. Nasıl ki elektromanyetik dalgaların kuantası fotonsa ses dalgalarının kuantası da fonondur demek yanlış olmaz. Çünkü fononlar tutarlı bir şekilde hareket ederek kristalde ses oluşmasına neden olur ve ses dalgaları burada yayılır.

Fononlar süperiletkenlik adına önemli parçacıklardır. Çünkü elektronlar arasındaki zayıf çekim kuvveti sonucu oluşan "Cooper çiftleri" metaldeki elektrik direncini arttıran veya azaltan titreşimlere etki eder. Elektronlar arasındaki zayıf çekim kuvveti de iki elektron arasında fonon alışverişi ile gerçekleşir.

Fononlar akustik fonon ve optik fonon olmak üzere iki çeşittir. Akustik fononların enerjileri optik fononlara göre daha düşüktür ve fotonlarla çiftleşmeleri daha zor olur. Optik fononlar ise daha yüksek enerjiye sahiptirler, fotonlarla çiftleşmeleri daha kolaydır.

Magnon

Magnon (İng: "Magnon") kristal bir kafesteki elektronların oluşturduğu spin yapısının uyarılmasına sebep olan kuasi parçacıktır. Elektromanyetik dalganın taşıyıcı parçacığı olan fotona benzer şekilde spin dalgalarının taşıyıcı parçacığı magnondur. Foton gibi magnon da enerji taşır.

Spin, fermiyonların ve bozonların yaptığı "dönme" davranışıdır. Aslında bir fermiyon olan elektronun dönmesi imkansızdır. Bunun sebebi elektronun dönme ekseninin olmaması ve açısal momentuma göre hızının ışık hızını geçmesi gerektiğidir. Ancak bazı kuantum durumlarını açıklamak için elektronun döndüğünü varsaymak gerekir.

Spin dalgalarını açıklamak gerekirse bir fermiyon olan elektron spine sahiptir ve bu spin değeri 1/2'dir. Kristal örgülerdeki uyarılmalar sonucu elektronların spinlerinde oluşan ortak dalgalanmalar spin dalgaları, taşıyıcı parçacığı da bahsedildiği üzere magnondur.

Nature

Majorana Fermiyonu

Majorana fermiyonu (İng: "Majorana Fermion") kısaca hem parçacık hem de anti parçacık gibi davranan, kendinin antipartikülü olan parçacıktır. Basit bir benzetme yapmak gerekirse, herhangi bir fermiyonun bir tam sayı değeri olduğunu hayal edelim. Bu tam sayı değeri "a", antipartikülünün tam sayı değeri ise "-a" olsun. Bu durumda Majorana fermiyonunun değeri 0 olurdu.

Yoğun madde fiziğinde bağlı Majorana fermiyonları, süperiletkenler içinde kuasi parçacık uyarımları gibi görünebilir.

Polariton

Polariton (İng: "Polariton"), foton ile başka bir kuantum parçacığın etkileşiminden doğan kuasi parçacıktır. Fotonun frekansı ile fotonla birleşecek parçacığın titreşim frekansı, bu iki parçacığın birbiriyle rezonans yapabilecek düzeyde benzer olursa bir polariton oluşur. Polaritonlar için "kütleli fotonlar" da diyebiliriz.

Fotonun diğer kuasi parçacıklar ile birleşimi ile oluşan bazı polariton örnekleri aşağıda belirtilmiştir:

• Fonon polaritonları, bir kızılötesi fotonun bir optik fononla birleşmesi sonucu oluşur.
• Eksiton polaritonları, görünür ışık fotonunun bir eksitonla birleşmesi sonucu oluşur.
• Yüzey plazmon polaritonları, yüzey plazmonlarının fotonla birleşmesi sonucu oluşur.^[6]

Kuasi Parçacıklar Niçin Önemli?

Kuasi Parçacıklar Teorisi elektronların yoğun madde üzerindeki hareketini ve davranışlarını etkileyen uyarılmalar, metalin iletkenliğini etkileyen uyarılmalar, atomların titreşimini etkileyen uyarılmalar, manyetizma davranışını etkileyen uyarılmalar gibi elektrik iletimini doğrudan veya dolaylı olarak etkileyen yarı parçacıkları açıklamaya çalışan katı hal fiziğinin fenomen konusudur. Özellikle oda sıcaklığında süperiletkenlik için önem taşır. Daha hızlı veri iletimi, veri depolama, iletişim teknolojileri, ulaşım teknolojileri, endüstriyel teknolojiler, parçacık hızlandırıcıları, enerji tasarrufu gibi birçok alana katkı sağlamakta olan ve sağlayacak olan süperiletkenlik için yarı parçacıklardan yararlanmak ve onların doğasını iyi anlamak gerekiyor.

Süperiletkenlik

Süperiletkenlik kritik sıcaklığının altına inen süperiletken maddelerin elektriğe direnç göstermemesi durumudur. Oda sıcaklığında herhangi bir iletken maddeden bir elektrik akımı geçirmeye çalışırsak bu akımdan tamamen verim alamayız. Çünkü titreşim yapan atomlar yüzünden elektrik enerjisinin bir kısmı yolda kaybolur ve ısı enerjisine dönüşür. Isı enerjisi de elektronik devrelerde başka sorunlara sebep olur. Mesela bir bilgisayarı ele alalım: Çalışır halde olan bilgisayar bir süre sonra ısınacak, ısınmanın engellenmesi için fazladan elektrik harcanarak bilgisayarın fanı çalışacak. Üstelik ısınma diğer bilgisayar donanımlarına da zarar verecek.

O halde daha verimli devreler istiyorsak atomların titreşimini azaltmak adına iletkeni soğutmak hatta mümkünse mutlak sıfıra olabildiğince yaklaştırmak gerekir. Ancak devrelerde yaygın olarak kullanılan bakır, gümüş gibi iletken metallerde sıcaklık neredeyse 0 kelvin olsa bile metalin tamamen saf olmamasından dolayı 0 dirençten söz edilemez. Bu yüzden bu metaller süperiletken olma niteliği taşımaz.^[7]

IoT Türkiye

Süperiletken maddelerin kritik sıcaklığı birbirlerinden farklıdır. Aşağıda bazı süperiletken maddelerin kritik sıcaklığı verilmiştir:

• Cıva: 4.2 Kelvin
• Alüminyum: 1.2 Kelvin
• Kalay: 3.7 Kelvin
• Galyum: 1.1 Kelvin
• Niyobyum: 9.3 Kelvin

Görüleceği üzere kritik sıcaklık değerleri günlük hayatta pek rastlanmayacak değerler olduğu için sıradan teknolojik cihazlarda süperiletkenler işlevsel olarak kullanılamaz. Özelleştirilmiş ortamlarda süperiletkenlerden faydalanmak da soğuk veya yüksek basınçlı ortamlar gerektirdiğinden enerji israfına neden olacağı için pratik bir yol değildir. Bu yüzden süperiletkenlerin oda sıcaklığında da kullanılması adına kritik sıcaklığı yüksek iletkenlerin keşfi ya da laboratuvarda üretilebilecek sentetik iletkenler önem taşır. Bu bağlamda kuasi parçacıklar da oda sıcaklığında süperiletkenlik çalışmalarına yön verecek gibi görünmektedir.^{[8], [9]}