Bir sıvıyı bardağa koyarsanız ne beklersiniz?
İçinde durmasını.
Peki ya size bazı sıvıların kabın duvarına tırmanıp kenardan aşağı süzülebildiğini söylesem?
Üstelik ortada pompa yok. Basınç yok. Kimse sıvıyı yukarı itmiyor.
Sıvı kendi kendine kabından kaçıyor.
Bilimkurgu değil.
Bunun adı süper akışkanlık.
Ve işin güzel tarafı şu: Burada garip davranan yalnızca sıvı değil. Aslında gözümüzün önünde kuantum mekaniğinin günlük ölçekte çalışmasını izliyoruz.
Helyumu biraz fazla soğutursanız ne olur?
Normal helyum zaten biraz tuhaf bir elementtir.
Ama helyum-4'ü yaklaşık 2,17 kelvinin, yani -271 °C'nin altına soğutursanız işler iyice değişiyor.
Sıvı yeni bir faza geçiyor ve buna helyum II deniyor.
1937'de Pyotr Kapitza ile John Allen ve Donald Misener birbirlerinden bağımsız olarak bu sıvının olağanüstü kolay aktığını gözlemledi.
Kapitza da bu davranışı süperiletkenlere benzetip ona uygun bir isim verdi:
Süper akışkan.
Peki onu bu kadar “süper” yapan ne?
Önce balı düşünün
Bir kaşık balı eğerseniz bal ağır ağır akar.
Su daha hızlı akar.
Motor yağı ise ikisinin arasında bir yerde olabilir.
Bunun nedeni viskozite, yani sıvının akmaya karşı gösterdiği iç dirençtir.
Süper akışkan helyumun süper akışkan bileşeninde ise viskozite sıfırdır.
Başka bir deyişle, sıvı akarken bizim alışık olduğumuz türden sürtünmeyle enerji kaybetmez.
Bir halka içinde akış oluşturursanız bu akım çok uzun süre devam edebilir.
Sanki bir bisikleti bir kez pedallamışsınız ve tekerlek hiçbir zaman yavaşlamıyormuş gibi.
Ama burada küçük bir ayrıntı var.
Helyum II'yi tek parça hâlinde “sıfır sürtünmeli sıvı” olarak düşünmeyin.
Fizikçiler onu iki bileşenli bir sistem gibi ele alıyor: normal, viskoz bir bölüm ve viskozitesiz süper akışkan bölüm.
Sıcaklık düştükçe süper akışkan kısmın payı artıyor.
Peki atomlar neden bir anda böyle davranmaya başlıyor?
Çünkü atomlar artık tek başlarına oynamıyor
Oda sıcaklığındaki bir bardak suya bakarsanız kuantum fiziği göremezsiniz.
Ama kuantum mekaniği orada da vardır.
Sorun şu ki moleküller o kadar hızlı ve karmakarışık hareket eder ki kuantum etkileri büyük ölçekte görünmez olur.
Sıcaklığı neredeyse mutlak sıfıra kadar düşürdüğünüzde bu gürültü azalıyor.
Helyum-4 atomları da kuantum özelliklerini daha açık göstermeye başlıyor.
Artık onları bağımsız küçük misketler gibi düşünmek zorlaşıyor.
Çok sayıda atom, ortak bir kuantum durumu içinde koordineli hareket etmeye başlıyor.
Bir stadyum düşünün.
50 bin kişi birbirinden bağımsız hareket ederse ortaya kaos çıkar.
Ama herkes aynı anda aynı hareketi yaparsa artık tek tek insanları değil, bütün tribünün oluşturduğu dalgayı görürsünüz.
Süper akışkanlık da biraz buna benziyor.
Elbette atomlar tribünde tezahürat yapmıyor ama sonuç benzer: mikroskobik kuantum davranışı makroskobik hâle geliyor.
Peki girdap oluşturursa ne olur?
Burada iş daha da ilginçleşiyor.
Bir bardak çayı karıştırdığınızda istediğiniz büyüklükte girdap oluşturabilirsiniz.
Süper akışkanda işler böyle yürümüyor.
Dönme hareketi belirli kuantum değerlerine bağlı oluyor ve kuantum girdapları ortaya çıkıyor.
Yani sıvının girdabı bile kuantum mekaniğinin kurallarına uymak zorunda.
Bu yüzden “süper akışkan hiçbir koşulda enerji kaybetmez” demek de doğru değil.
Akışı yeterince hızlandırırsanız girdaplar oluşabilir ve enerji kaybı başlayabilir.
Doğa yine küçük puntolarla bir kullanım şartı eklemiş durumda.
Asıl numara: Kabından kaçmak
Şimdi gelelim süper akışkanların internette en çok paylaşılan özelliğine.
Bir kaba süper akışkan helyum koyuyorsunuz.
Sonra bekliyorsunuz.
Helyum kabın iç yüzeyinde son derece ince bir film oluşturuyor.
Bu filme Rollin filmi deniyor.
Film duvar boyunca yukarı çıkıyor.
Kabın kenarına ulaşıyor.
Öbür tarafa geçiyor.
Ve dış yüzeyden aşağı doğru akıyor.
Bir süre sonra kabın içindeki helyum azalmaya başlayabiliyor.
İlk bakışta sıvı yerçekimine meydan okuyormuş gibi görünüyor.
Peki gerçekten öyle mi?
Hayır.
Yerçekimi hâlâ görev başında.
Helyum atomlarıyla yüzey arasındaki zayıf çekim kuvvetleri çok ince bir film oluşturuyor. Normal bir sıvıda viskozite bu filmin hareketini büyük ölçüde engellerdi.
Süper akışkan bileşende ise bu fren yok.
Sonuç?
Sıvı yüzey boyunca ilerliyor ve kabın kenarından dışarı çıkabiliyor.
Yani helyum yerçekimini yenmiyor.
Sadece bizim sıvılardan beklediğimiz davranışları pek umursamıyor.
Güzel de bunu neden önemseyelim?
Şimdiye kadar anlattıklarımız pahalı bir laboratuvar gösterisi gibi görünebilir.
Değil.
Dünyanın en büyük bilimsel makinelerinden biri süper akışkan helyumu aktif olarak kullanıyor.
CERN neden tonlarca helyumu buz gibi tutuyor?
CERN'deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nın dev süperiletken mıknatısları yaklaşık 1,9 kelvinde çalışıyor.
Bu sıcaklıklarda helyum süper akışkan hâlde.
Bunun önemli bir avantajı var:
Isıyı son derece etkili taşıyabiliyor.
LHC'nin 27 kilometrelik halkasında bulunan güçlü mıknatısların kararlı biçimde çalışması için bu özellik kritik.
Bir noktada fazla ısı oluşursa süperiletkenlik kaybolabilir ve sistem sorun yaşayabilir.
Süper akışkan helyum burada bir tür ultra gelişmiş soğutma altyapısı görevi görüyor.
Üstelik CERN şimdi için daha güçlü sistemler hazırlıyor.
Yani süper akışkanlık geleceğin teknolojisi olmaktan önce bugünün teknolojisi.
Kuantum bilgisayarlarda da karşımıza çıkıyor
Bir kuantum bilgisayarının işlemcisini masanın üzerine koyup çalıştıramazsınız.
Süperiletken kübitler çoğu zaman birkaç milikelvin sıcaklıkta çalışıyor.
Bu nedenle dev seyreltme buzdolapları kullanılıyor.
Bu sistemlerde helyum-3 ve helyum-4 karışımları kritik rol oynuyor.
Burada “kuantum bilgisayarı süper akışkan çalıştırıyor” demek fazla iddialı olur.
Ama ultra düşük sıcaklık fiziği ve helyum teknolojileri olmadan günümüzün birçok kuantum bilgisayarını çalıştırmak oldukça zor.
Peki süper akışkanı yalnızca soğutucu olarak kullanmak zorunda mıyız?
İşte araştırmacılar tam da bunu sorguluyor.
Elektron yerine atom kullanan devreler
Elektronikte kablolardan elektron akıyor.
Peki elektron yerine atom akıtsak?
Buna deniyor.
Araştırmacılar ultra soğuk atomlardan süper akışkan halkalar oluşturuyor ve bu halkalarda kalıcı atom akımları üretmeye çalışıyor.
Bir anlamda kuantum sıvısından elektronik devre yapıyorlar.
İlk bakışta gereksiz derecede karmaşık görünebilir.
Ama önemli bir avantajı var.
Bu sistemler çevredeki çok küçük dönüşleri ve ivmeleri ölçmekte son derece hassas olabilir.
GPS olmadan yolumuzu bulabilir miyiz?
Bir denizaltı düşünün.
Aylarca suyun altında kalıyor.
GPS sinyali yok.
Veya Dünya'dan milyonlarca kilometre uzakta ilerleyen bir uzay aracı düşünün.
Araç kendi dönüşünü ve hareketindeki çok küçük değişimleri sürekli ölçmek zorunda.
Süper akışkan tabanlı kuantum jiroskopları ve atomtronik sensörler gelecekte burada kullanılabilir.
Bugün bunların önemli bir kısmı hâlâ araştırma veya prototip aşamasında.
Ama hedef açık:
Daha küçük hareketleri ölçmek.
Daha az sapma yapmak.
Dışarıdan sinyal almadan daha uzun süre doğru konum belirlemek.
Kısacası bir gün telefonumuzda süper akışkan deposu taşımayacağız.
Ama denizaltılar, uzay araçları ve hassas navigasyon sistemleri bu fizikten yararlanabilir.
Bir sıvıyla nötron yıldızı çalışabilir misiniz?
Daha da garip bir kullanım alanı var.
Süper akışkanları başka fizik sistemlerini taklit etmek için kullanıyoruz.
Örneğin nötron yıldızlarının içinde maddenin bir bölümünün süper akışkan hâlde olduğu düşünülüyor.
Fakat bir nötron yıldızını laboratuvara getiremeyeceğinize göre başka bir yol gerekiyor.
İşte ultra soğuk atomlar ve süper akışkan helyum burada küçük ölçekli benzetim sistemleri hâline geliyor.
Araştırmacılar kuantum girdaplarını inceliyor.
Türbülansı araştırıyor.
Yoğun kuantum maddesinin nasıl davrandığını anlamaya çalışıyor.
Hatta bazı çalışmalar süper akışkan sistemleri kuantum alan teorisinin zor problemlerini deneysel olarak taklit etmek için kullanmayı hedefliyor.
Yani masanın üzerindeki birkaç santimetrelik soğuk sıvı, bazen binlerce ışık yılı uzaktaki bir yıldızın içindeki fiziği anlamamıza yardım edebiliyor.
Peki sonunda ne elde edeceğiz?
Süper akışkanların geleceği muhtemelen “sürtünmesiz araba motoru” olmayacak.
En azından yakın gelecekte değil.
Ama başka yerlerde çok daha anlamlı olabilir.
Daha güçlü parçacık hızlandırıcıları.
Daha hassas kuantum sensörleri.
GPS'siz navigasyon.
Uzay araçları için yeni nesil jiroskoplar.
Kuantum bilgisayarları için gelişmiş sistemler.
Ve laboratuvarda başka türlü deneyemeyeceğimiz fiziği taklit eden kuantum simülatörleri.
Süper akışkanların belki de en güzel tarafı burada.
Kuantum mekaniğini genellikle atomların ve parçacıkların küçük dünyasına ait bir şey gibi düşünüyoruz.
Oysa helyumu yeterince soğutursanız kuantum fiziği mikroskoptan çıkıp doğrudan gözünüzün önüne geliyor.
Hem de bazen kabın kenarından tırmanarak.