ELEKTRON
İÇİNDEKİLER
♦ Elektronların neden döndüğünü düşünüyoruz?
Kuantum mekaniğinin ilk günlerinde bazı fizikçiler, elektronlar gibi parçacıkların gerçekten kendi etrafında dönüp dönmediği fikri üzerinde kafa yoruyordu ..
Fikir, elektron davranışına ilişkin mevcut teorilere tam olarak uymasa da , deneylerde bir avuç gözlem vardı ve teoride bunun aksini söyleyen önemsiz boşluklar vardı..
-Birincisi, elektronun yolunun manyetik bir alanla karşılaştığında, sanki kendisi de küçük bir mıknatısmış gibi eğrilmesidir.. Bu başlı başına şok edici bir şey değil; sonuçta hareketli yükler manyetik alanlar yaratıyor..
Ancak Otto Stern ve Walther Gerlach adlı iki Alman bilim adamı, 1920’lerin başında gümüş atomunun çekirdeğinin etrafında dönen elektronlardaki bu alanı ölçtüklerinde , sayıların birbirine uymadığını buldular..
-Bunun anlamlı olması için elektronların da aynı noktada hareket ediyor olması gerekiyordu; dönüyor olmaları gerekiyordu..
Garip bir şekilde, sonuçlar, bu tür bir dönme hareketinin, harici bir manyetik alana göre kesinlikle düz yukarı veya düz aşağı doğrultulmuş, çok özel yönelimlere sahip küçük manyetik alanlar yarattığını ima etti.. Hiçbir zaman öyle ya da böyle rastgele eğilmediler..
Bu arada Wolfgang Pauli adlı bir teorisyen, neden bazı parçacıkların (atom çekirdeğindeki elektronlar ve parçacıklar gibi) aynı alanı kaplarken birbirlerinin üzerine oturamadıklarını, diğerlerinin ise (fotonlar gibi) neden üst üste oturamadığını açıklamaya yardımcı olan bir prensip üzerinde çalışıyordu..
-Onun ‘dışlama ilkesi’ dört kuantum sayısından oluşan bir dizi gerektiriyordu..
Biri bir parçacığın enerjisini tanımladı. Diğer iki tanesi açısal momentumla ilgiliydi. Ancak dördüncüsü bariz bir şeyle ilgili görünmüyordu..
Hollanda doğumlu genç Amerikalı bilim adamı Samuel Goudsmit yakında bu sorunun cevabını verecekti ..
-Çiftler adı verilen manyetik alanlardaki spektral çizgiler üzerindeki formüllerin yeni yorumlarını uygulayarak , farkında olmadan elektronlarda esrarengiz bir şekilde dönmeye benzeyen bir hareketin kanıtını ortaya çıkardı. Bunu ilk başta fark etmemişti; bunu açıklığa kavuşturmak için George Uhlenbeck adlı başka bir Hollandalı-Amerikalı genç fizikçiyle uzun uzun konuşmalar yapması gerekti..
– Uhlenbeck:
“Fakat bunun ne anlama geldiğini görmüyor musunuz? Bu, elektron için dördüncü bir serbestlik derecesi olduğu anlamına gelir.. Bu, elektronun bir dönüşü olduğu ve döndüğü anlamına gelir…”
Konsepti ilk düşünen onlar olmasa da , bu tür teori ve deneylerin sonuçlarıyla birlikte yapılan konuşma, diğer temel parçacıkların yanı sıra elektronların da döndüğüne dair net bir durum ortaya çıkardı..
-Ancak kuantum mekaniğinin tavşan deliğinde hiçbir şey bu kadar basit olamaz.
♦ Elektronlar neden dönemez?
Spin terimi, elektronların tuhaf manyetizmasını ve ışığın tuhaf özelliklerini tanımlamak için kullanılırken bile birkaç sorun vardı.
-Elektronların gerçekten küçük küreler olduğunu varsayarsak, deneysel sonuçlara uymak için dönmeleri gereken hız, yüzeylerinin ışık hızından on kat daha hızlı dönmesi gerektiği anlamına gelir.
-Elbette artık elektronların bir yüzeyinin olmadığı düşünülüyor. Ancak temel parçacıkların bir alandaki noktalar olduğunu bilmek onu daha sezgisel hale getirmez. Sıfır boyutlu bir nokta ilk etapta nasıl dönüyor?
Stern ve Gerlach’ın yürüttüğü ve yalnızca iki mutlak yöne işaret eden deneyler daha da kafa karıştırıcıydı..
-Bir parçacığın minik mıknatısının farklı “tamamen yukarı” ve “tamamen aşağı” yönelimleri, biraz şu tarafa, biraz şu tarafa eğilebilen veya hızlanıp yavaşlayabilen, dönen bir 3 boyutlu nesneyle kolayca açıklanamaz..
Başka bir deyişle, elektronlarda meydana gelen dönme türünün bizim dünyamızda, basketbol toplarında ve gezegenlerde bir karşılığı yoktur..
-Parçacıkların sanki içsel açısal momentuma sahipmiş gibi eğrilmesine ve onları tuhaf bir tür çubuk mıknatısa dönüştürmesine benzer sonuçlar doğurabilir. Ancak ‘dönme’ ne olursa olsun, bu Evrenimizin dokusuna işlemiş temel bir özelliktir.
♦ Elektronlar Gerçekten Dönebilir mi?
Çoğumuz için, küçük güneş sistemleri şeklindeki atom diyagramları, parçacık fiziği dünyasına giriş görevi görür. Ne yazık ki, bu ikonik görseller doğru olduğundan daha fazla yanlışa dönüşüyor.
-Her şeyden önce elektronlar, topaklı bir güneşin etrafında dönen küçük gezegenler gibi değildir. Muhtemelen küçük küreler bile değiller; daha ziyade genişliği, yüksekliği veya derinliği olmayan, uzaydaki iğne batma noktalarıdırlar.
-Ve genişliği olmayan bir nesne olduğundan dönebilecek hiçbir şeyi yoktur.
Peki fizikçiler bir parçacığın ‘dönüşünü’ tanımlarken neyi kastediyor?
♦ Elektronun şekli ilk kez belirlendi
University of Basel fizikçileri, yapay bir atomun içinde tek bir elektronun nasıl göründüğünü ve geometrisini göstermeyi başardı.
Araştırmacılar yeni geliştirdikleri metot ile elektronun herhangi bir konumda bulunma ihtimalini tespit edip gelecek kuantum bilgisayarlarda birer bilgi birimi olacak elektron spinlerini de kontrol etmeyi başarmış oluyor.
Araştırmada yürütülen deneylerin detayları ve sonuçları Physical Review Letters‘da yayımlanırken, geliştirilen teori Physical Review B‘de yayımladı.
Dünya genelinde çok fazla fizikçi ve farklı disiplinlerden bilim insanlarının çalıştığı zorlayıcı katmanları ve engelleri bulunan bir araştırma alanı konumunda olan bir elektronun spini (hareket detayları) kontrol etmek ve istenilen yönde değiştirmek artık olası görülüyor.
Spinlerin incelenmesi birçok unsurun yanı sıra bir elektronun geometrisine de büyük ölçüde bağlıdır, ki şimdiye kadar bir elektronun geometrisinin deneysel olarak belirlenmesi de imkansız görülüyordu.
University of Basel Fizik Bölümü’nden Prof. Dominik Zumbühl ve aynı üniversitenin bünyesindeki Swiss Nanoscience Institute’ten Prof. Daniel Loss öncülüğündeki iki ayrı araştırma ekibinin araştırmaları sonucu bir metot ve teori geliştirilerek uzamsal olarak elektronun kuantum noktalarda muhtemel geometrisi başarı ile tespit edildi.
İLK KEZ GÖRÜNTÜLENDİ
Bir kuantum nokta, teorik olarak doğal bir atomdan bin kat daha büyük ve serbest elektronları sınırlandıran tuzak benzeri bir alandır. Bu bağlamda bakıldığında uygulamada tuzağa düşen elektronlar atoma bağlı olan elektronlar gibi davranır ve bu nedenle kuantum noktalar ‘yapay atom’lar olarak tanımlanır.
Elektron bir kuantum noktada elektrik alanı ile tutulabilmektedir. Bu alan içinde hareket eden elektronlar dalga fonksiyonlarına karşılık gelen ihtimaller ile belirli lokasyonlarda sınırlanmış şekilde kalırlar.
Spektroskobik ölçümlerden faydalanılarak kuantum noktalardaki enerji seviyelerini ölçen ve bu seviyelerin manyetik alandaki değişimine göre davranışlarını çalışan araştırmacılar teorik modelde bir elektronun bulunabileceği alanın (veya muhtemel lokasyonların yoğunluğunu) ihtimalini hesaplayarak nanometre altındaki ölçeklerde tahmin etmeyi başardı.
Bu metot içinde değişen yön ve şiddetteki manyetik alanlar sayesinde ilk kez araştırmacılar bir elektronun nasıl görünüyor olabileceğini de gösterdi. Japonya, Slovakya ve Birleşmiş Milletler’deki araştırmacılar ile yakın temasta yürüyen çalışmada elektronların geometrisi ile spinleri arasındaki bağıntının da daha iyi anlaşılması sağlandı.
Araştırmacılar sadece bir elektronun şekil ve oryantasyonunu değil aynı zamanda dalga fonksiyonunu da haritalayıp kontrol edebildiklerini açıklıyor. Üstelik bu sadece elektrik alanın konfigürasyonu ile yapılabiliyor.
Geliştirilen metot yardımı ile spin kübitlerinin daha yüksek verimlilik ve başarı ile optimizasyonu gerçekleşebilecek ve yakın gelecekteki kuantum bilgisayarlarda daha önceki çalışmalarında verilerinin yardımı ile bu çalışmaların da daha iyi anlaşılmasını sağlayarak kullanılabilecek.
İLGİLİ HABER
cumhuriyet
