Araştırmacılar maddelere süperiletkenlik özelliği kazandıran bir kuantum buzdolabı tasarladılar. Öyle soğuk bir buzdolabı hayal edin ki, atomları kuantum hallerine döndürerek maddelere klasik fizik kurallarını ihlal eden özellikler kazandırıyor.
American Physical Society (Amerikan Fizik Topluluğu) bilimsel dergisi olan Physical Review Applied ’da yayınlanan bir haberde, Rochester Üniversitesinde fizik profesörü olan Andrew Jordan , yüksek lisans öğrencisi olan asistanı Sreenath Manikandan ve NEST IstitutoNanoscienze-CNR (Ulusal Nanobilim Araştırma Konseyinin NEST merkezi) ve Scuola Normale Superioredi Pisa üniversitesinden meslektaşları FrancescoGiazotto , atomları neredeyse mutlak sıfır (-273,15 Celcius) sıcaklığına indirebilecek bir buzdolabı tasarladılar.
Süperiletkenliğin kuantum alanındaki özelliklerini kullanarak çalışan buzdolabı kuantum sensörlerin, devrelerin ve aşırı hızlı kuantum bilgisayarların performanslarının ileri derecelerde arttırılması için kullanılabilir.
İlgili: Kuantum Nedir?
Süperiletkenlik Nedir?
Bir maddenin elektriği iletme ölçüsü iletkenlik olarak bilinir. Bir madde fazla iletkenliğe sahip olduğu zaman elektrik akımının üzerinden akmasına izin verir. Örnek olarak metaller iyi iletkenler iken tahta ve tellerin etrafına sarılan kabloların dış kısımları yalıtkanlardır.
Ancak metaller iyi iletkenler olmalarına rağmen elektriği iletirken ısınırlar ve sürtünme dolayısıyla direnç gösterirler. İdeal bir iletken elektriği iletirken direnç göstermemelidir, akımı taşırken hiçbir kayba sebep olmaz, bir süperiletkende gerçekleşen olay da budur.
Süperiletken Özellikleri
Manikandan diyor ki
“Bir sistemi ekstrem sıcaklıklara düşürdüğünüz zaman, elektronlar su benzeri birbirinden bağımsız hareket etmeyen bir akışkan özelliği gösterirler ve direnç göstermeden akarlar.’’ ‘’Bu elektronların çok düşük sıcaklıklarda Cooper çiftleri (Amerikalı fizikçi Leon Cooper’ın anısına) denilen çiftler oluşturarak birleşmeleri ile elde edilir.”
Araştırmacıların inandıkları şey ise yeteri kadar soğutulduğunda tüm metallerin süperiletken özellikleri gösterecekleridir, ancak her metalin akıma karşı dirençlerinin kaybolduğu farklı bir ‘’kritik sıcaklığı’’ vardır.
Klasik bir buzdolabı ile benzerlikleri.
Süperiletken kuantum buzdolabı ultra soğuk bir ortam yaratmak için süperiletkenliğin prensiplerini kullanıyor. Oluşan ortam kuantum teknolojilerini kullanabilmemiz için bize uygun bir ortam sağlıyor. Süperiletken kuantum buzdolabı araştırmacılar için maddeleri süperiletken hale geçiren bir ortam oluşturabilir, aynı bir maddeyi gaz, sıvı veya katı hale dönüştürmek gibi.
Ancak süperiletken kuantum buzdolapları tabi mutfaklarımızda kullanmak için olmayacağına rağmen, çalışma prensipleri temelde mutfaklarımızdaki buzdolapları ile aynı. Jordan’ın dediğine göre ‘’Klasik buzdolapları ve süperiletken kuantum buzdolapları, ikisi de soğutmayı sağlamak için hal değişimini kullanıyor”
Eğer mutfağınızdaki buzdolabını incelerseniz, içinin haliyle soğuk ancak arka tarafının sıcak olduğunu fark edersiniz. Bir buzdolabı içindeki maddeleri soğuk yapmak için içerideki ısıyı dışarı verir.
Bunu refrigerant (soğutucu) adını verdiğimiz bir akışkanı sıcak ve soğuk hazneler arasında hareket ettirerek ve hal değişimine uğratarak yapar. Jordan diyor ki “Buzdolapları soğuğu hiçlikten yaratmazlar.” “Isının korunumu yasası vardır ve ısı bir tür enerjidir. Öyle ki buzdolabı ısıyı bir bölgeden alıp diğer bir bölgeye aktararak çalışır”
Aradaki Farklar
Klasik bir buzdolabında, soğutucu sıvı genişletici bir vanadan geçer. Sıvı genişlediği zaman ısısı ve basıncı gaz haline geçtikçe azalır. Artık soğuk olan soğutucu buharlaştırıcı bir bobinden geçer, bu sırada buzdolabının iç tarafından ısı alır.
Daha sonrasında bir kompresör tarafından sıkıştırılır, sıvıya dönüştükçe ısısı ve basıncı artar. Artık dışarıdan daha sıcak olan sıvı buzdolabının dış tarafında bulunan borulardan geçer ve bu süreçte dışarıya ısı verir. Sıvı ardından tekrar genişletici vanaya gelir ve döngü devam eder.
Süperiletken kuantum buzdolabı da klasik bir buzdolabına bir maddeyi sıcak ve soğuk kısımlar arasında hareket ettirmesi bakımından benzerdir.
Ancak gaz ve sıvı arasında değişim gösteren bir akışkan yerine süperiletken kuantum buzdolabında elektronlar çiftleşmiş hal ile ayrı normal hal arasında geçiş gösterirler.
Manikandan diyor ki ‘’Klasik bir buzdolabının yaptığı işin aynısını yapıyoruz ancak bunu bir süperiletken ile yapıyoruz.’’
Peki Süperiletken Kuantum Buzdolabı Nasıl Çalışıyor?
Süperiletken kuantum buzdolabında, araştırmacılar zaten soğuk olan cryogenicdilutionrefrigerator (sıcaklığı mutlak sıfır dereceye indirmek için kullanılan modern ve bilimsel bir soğutucu) içine birkaç kat farklı metal koyuyorlar.
En alt kısımda süperiletken bir madde olan niyobyum bulunuyorve sıcak kısım olarak rol alıyor, klasik bir buzdolabında dış ortam gibi.
Orta kısımda yine bir süperiletken olan tantalum (tantal) kullanılmaktadır, bu değişime uğrayan maddedir, buzdolabındaki soğutucu akışkan gibi. En üst kısım ise bakır veya soğutarak ileri seviyede süperiletkenlik kazandırmak istediğimiz iletken bulunur, bu buzdolabının içi gibidir.
En altta bulunuan niyobyuma elektrik akımı uyguladığımız zaman tantalumdan da geçen bir manyetik alan elde ederiz, manyetik alan tantalumun çiftleşmiş elektronlarının ayrılmasına sebep olur, bu ayrılma sırasında tantalum ısı kaybeder ve soğur. Artık soğuk olan tantalum daha sıcak olan bakırdan ısı absorbe eder.
Ardından uygulanan akım yavaşça kesilir ve tantalumun elektronları tekrar çiftleşirler, bu sırada daha da ısınan tantalum niyobyumdan daha sıcak hale gelir ve niyobyuma ısıyı transfer eder, sonra işlem devam eder ve bakır hep soğuk tutulur.
Cooper Çifti
Bu klasik bir buzdolabındaki olaya benzer, haller arası geçişler ve sıcaktan soğuğa hareket ile madde soğuk tutulur. Süperiletken kuantum buzdolabında da bunu süperiletken maddeler ile sağladığımız için Manikan’dan şöyle diyor
“Burada da cooper çiftlerini1 ayırıyor ve zaten soğuk bir ortamda manyetik alan uygulayarak daha soğuk bir ortam yaratıyoruz, normal bir buzdolabının prensiplerini taban olarak alıyoruz ve daha çok soğutma sağlıyoruz’’
Mutfağınızdaki buzdolabının sebze, meyve ve gıdaları soğut tutmak için kullanırken, bir bilim insanı süperiletken kuantum buzdolabına ne koyabilir?
Jordan diyor ki ‘’Mutfağınızdaki bir buzdolabını yiyeceğinizi soğuk tutmak için kullanıyorsunuz.’’ ‘’Ancak bu süper soğuk bir buzdolabı.’’
Yiyecek korumak yerine, süperiletken kuantum buzdolabı içine qubit (quantum bilgisayarların temel elemanları, photonlar, ionlar veya elektronlar olabilir) koyabiliriz.
Aynı şekilde ışığı ve ışınları yakalama ve ölçmede çok etkili olan quantum sensörlerinin performanslarını arttırmak için buzdolabını kullanarak astronomik gözlemlerde ve biyoloji alanında mikroskobik gözlemlerde şu anda yapılamayan şeylerin yapılabilmesini sağlayabiliriz.
“Bunun nasıl çalıştığını düşünmek gerçekten çok büyüleyici , resmen enerjiyi alıyor ve onu ısıya dönüştürerek iletiyor”
1. Cooper Çifti Nedir: Yoğun madde fiziğinde, Cooper iletken çifti veya bina kontrol sistemi iletken çiftinin belli koşullarda düşük sıcaklıkla sınırlanmasının elektron iletkeni olduğu ilk kez 1956 yılında Amerikalı fizikçi Leon Cooper tarafından tanımlanmıştır.
Çeviren : Hüseyin Furkan Kardiyen
Kaynak : https://www.sciencedaily.com/releases/2019/06/190604131212.htm
