Kuantum kuramıyla ilgili tartışmaların sonlanabilmesi için deterministik bir kuantum kuramının geliştirilmesi gerekmektedir. Kuantum kuramının kurucularından bazılarının bu görüşte olduğunu görüyoruz. Başta Einstein olmak üzere Schrödinger De’Broglie ve Dirac mevcut kuantum kuramına geçici gözüyle bakmışlardır, ama kuramın nasıl değiştirilmesi gerektiği konusunda inandırıcı bir çalışma hiçbir zaman yapılamamıştır. EPR tipi deneylerin sergilediği yerelsizlik kavramı “saklı değişkenler” fikrini çürüttüğü gibi kuantum dünyasının “gerçekçi” bir tanımının yapılmasını da bir ölçüde engellemektedir. Oysa böyle bir tanım, basit bir uzay zamanda; görelilik ilkeleriyle uyum sağlamamız için verilen kendine özgü yapıdaki uzay zamanda, rahatlıkla yapılabilirdi. Bu nedenle çok daha köklü bir değişikliğe gerçekten gereksinim var gibi görünüyor.

Her şeye rağmen, atomistik boyutta kalındığı sürece kuantum kuramıyla deney arasında herhangi bir uyuşmazlığa rastlanmamıştır. Mikro dünyadan, makro dünyaya geçişte ise kuantum mekaniğinin aynen klasik kuramlara dönüştüğü varsayılmıştır. Bu düşünceye dayanarak fizikçiler onlarca yıl bu iki evrenden birini seçip çalışmalarını gönül rahatlığıyla bu evrene hükmeden fizik kurallarını kullanarak yaptılar.

Makroskopik ve mikroskopik evrenler arasında kalan yarı kuantum bölge uzun süre pek kimsenin ilgisini çekmemişti. Kuantum fiziğinden klasik fiziğe düzgün ve sürekli bir geçiş çok da cazip bir araştırma konusu değildi. Bundan otuz yıl öncesine kadar fizikçiler bu geçiş bölgesinin tekdüzeliğinden ve tahmin edilebilirliğinden uzak durup makro ve mikro evrende yeni atılımlar yapmayı yeğlediler. Sharvin ve Sharvin’in temel bir kuantum olayı olan Aharonov-Bohm etkisini gözlemek amacıyla yaptıkları deney bu öngörünün ne kadar yanlış olduğunu ortaya çıkardı (5).

Aharonov-Bohm etkisi kuantum mekaniğinin temel örneklerinden biridir. Çok sık sarılmış bir bobin kullanarak, yalnızca bobin içine hapsolacak şekilde, bir manyetik akı oluşturduğumuzu varsayalım. Klasik olarak bu bobin etrafında dolanan bir elektron herhangi bir elektromanyetik kuvvet hissetmeyecek ve sonuçta manyetik akıdan kesinlikle etkilenmeyecektir. Oysa kuantum mekaniğine göre, elektron dalga fonksiyonunun fazı bobinin sağından ya da solundan geçmesine bağlı olarak manyetik akı ile orantılı bir şekilde artacak ya da azalacaktır. Bobinin iki yanından geçen dalgalar yeniden bir araya geldiklerinde farklı fazları nedeniyle bir girişim deseni oluşturacaklardır. İşte size çarpıcı bir kuantum etkisi daha: Elektronun davranışını, üzerine klasik olarak hiçbir kuvvet etkimeden değiştirmek olasıdır !
1959’da Aharonov ve Bohm’un kuramsal çalışması ile ortaya atılan bu girişim etkisi, bu iki fizikçinin adları ile anılmaktadır.

Aharonov-Bohm etkisi, kısa süre sonra, laboratuvarda boşlukta elektron demetleri kullanılarak gözlendi. Parçacık-dalga ikileminin yeni bir sağlaması sayılan bu deneylerin ardından fizikçiler aynı olayı katı hal yapıları ile gözlemeyi hedeflediler. 1975’de Sharvin ve Saharvin, çok ince iletken bir silindirin direncini manyetik alanının fonksiyonu olarak ölçtüklerinde görmeyi umdukları Aharonov-Bohm etkisi yerine son derece ilginç yeni sonuçlarla karşılaştılar. İzleyen yıllarda, bu etkilerin nedenlerinin ve Aharonov-Bohm etkisinin neden görülmediğinin anlaşılması için yapılan araştırmalar Mezoskopik fiziğin doğmasına neden oldu.
Mezoskopik fiziğin en harika kuramlarından biri olan zayıf yerelleşme kuramı işte bu dönemde, 1980’lerin başlarında, ortaya atıldı. Zayıf yerelleşme kuramının Sharvin ve Sharvin deneyinin açıklanması ve ilgisiz görünen, fakat bir süredir açıklama bekleyen diğer bazı deneysel sonuçların anlaşılması yolunda gösterdiği başarı bir anda yoğun madde fizikçilerinin ilgisini çekti.
Zayıf yerelleşme kuramını makroskopik ve mikroskopik kuramlardan farklı kılan şey neydi? Zayıf yerelleşme, basitçe, düzensiz bir katıda elektronların iletim özelliklerini düzensizliklerden saçılmaları aracılığıyla açıklayan bir modeldir. Basit kavramlarla oluşturulan ilk betimlemede elektronları bir yandan klasik mekanikteki gibi nokta parçacıklar olarak düşünmek ve zaman içinde belli yörüngeler üzerinde hareket ettiklerini varsaymak, öte yandan da bir dalga özelliği olan fazlarını hesaba katmak ve girişim yapabileceklerini de düşünmek gerekiyordu. Yani, elektronun aynı anda hem bir parçacık (klasik davranış), hem de bir dalga (kuantum) gibi davrandığını kabullenmek esasına dayanıyordu.
Zayıf yerelleşme etkileri kuramsal olarak yalnızca makroskopik ile mikroskopik boyutlar arasında bir bölgede ortaya çıkıyordu. Daha doğru bir deyişle, makro ve mikro özellikler bu orta evrende daha önceden kestirilmediği gibi yavaşça karışmıyorlar, tüm belirginlikleri ile bir arada bulunabiliyordu. Aynı anda hem klasik, hem de kuantum! Ortalar dünyası açık bir şekilde fizikte özel yerini (yunanca, mez’zo=orta) aldı ve adına
mezoskopik fizik dendi.

1980’lerin ortalarında mezozkopik fizik, hem deneysel çalışmalarının tartışılması duyarlılığı hem de kuramsal modellerinin deneyi açıklamadaki başarısı ve etkileyici biçimleri sayesinde yadsınmaz bir saygınlığa ulaşmıştı. Mezoskopik fiziğin önemi anlaşıldıktan sonra gittikçe artan sayıda fizikçi bu yeni alanda araştırma yapmaya başladı. Araştırmacıların ilgilendikleri en önemli konulardan birisi mezoskopik fiziğin “kalıcı akımlar” problemi idi. Kulik’in daha 1970’te, mezoskopiğin bilim dünyasına girmesinden önce, kuramsal olarak öngördüğü kalıcı akımlar, mezoskopik yapıların mikroskopik yapılara benzerliğini vurgulayan önemli örneklerden biridir. Bir atomda elektronlar belirli açısal momentum değerlerine sahip öz durumlarda bulunurlar. Açısal momentum bu ölçekte bir akıma karşılık gelir ve elektron durum değiştirmedikçe bu akım çekirdek etrafında döner. Gerçi bildiğimiz anlamda bir elektron akışı yoktur. Fakat bu dönen akım, oluşturduğu manyetik moment aracılığıyla kendisini belli eder. Bir Aharonov-Bohm halkasını büyükçe bir atoma benzetmek olasıdır. Atomlarda olduğu gibi Aharonov-Bohm halkasında da, yalnızca kuantum dalga fonksiyonları yapının davranışını belirlemektedir. Sonuçta Aharonov-Bohm halkalarında da kalıcı akımlar oluşturmak söz konusudur. Mezoskopik fiziğin ilk yıllarında sıkça değinilen kalıcı akımlar probleminin en şaşırtıcı yönü, bu akımı oluşturmak ve sürekliliğini sağlamak için dışardan enerji vermeye gerek olmaması idi. Makroskopik boyutlarda görmeye alıştığımız kayıplar burada yoktu. Bu haliyle Aharonov-Bohm halkası sıfır-kayıplı bir üstün iletken halkayı andırıyordu. Uzun kuramsal çalışmalar sonunda yukarıda söz ettiğimiz Aharonov-Bohm halkasının atom benzerliği ortaya çıkarıldı ve kalıcı akımlar kabul görmeye başladı. Bu olgunun deneysel olarak gözlenmesi ise ön görülmesinden yirmi yıl kadar sonra
gerçekleşti.
Başlarda deneylerde kullanılan metal filmlerle oluşturulan mezoskopik yapılar çok kristalli ve düzensiz yapılardan oluşturuldukları için deneylere ciddi bir zamanlama getiriyordu bunu aşmak için yapay malzemelere dayalı düşük boyutlu yapılar geliştirildi. Böylece hem çarpışmaların olumsuz etkisini oldukça azaltmak hem de kuantum mekanik dalga boylarını ayarlayarak büyüklük etkilerini ön plana çıkarmak mümkün oldu. Nitekim 1980’lerin ortalarından başlayarak düşük boyutlu yarı iletken yapıların kullanıldığı mezoskopik uygulamalar yaygınlaştı.
Yarı iletken yapıların en basiti ve en yaygın kullanılanı iki boyutlu elektron gazıdır. İki farklı yarı iletkenin düzlemsel ara yüzeyinde oluşan potansiyel kuyusu elektronları oldukça ince bir tabakaya hapseder. Uygun tasarlanmış bir iki boyutlu elektron gazı yapılarında elektronlar çok az çarpışma yaparak uygun mesafeler kat edebilirler. Öte yandan elektronların dalga boyları yarı iletkenlerin katkılanma miktarı ile belirlendiğinden kuantum büyüklük etkilerini ön plana çıkaracak tasarımlar yapmak oldukça kolaydır.
Bugün mezoskopik deneylerinde çoğunlukla kuantum kuyularından yararlanılıyor. Bu boyutta artık metal tellerin temel görevi bu iki boyutlu elektron gazı içerisinde mezoskopik ölçekte devrelerin ve aygıtların oluşturulmasına yardımcı olmaktır. Negatif gerilim uygulanmış metal bir tel iki boyutlu elektron gaz üzerine yerleştirilirse (elektronlar elektrostatik itme nedeniyle telden uzak durmak isteyeceklerinden) elektron gazı içerisinde telin tam altında elektrondan arındırılmış yalıtkan bir bölge oluşur. Bu yolla elektron gazı içerisinde aynen metal ince filmlerde olduğu gibi mezoskopik devreler ve aygıtlar oluşturmak olasıdır. Bu tür çalışmalar doruk noktalarına 1988’de kuantumlaşmış direnç deneyleriyle ulaştı. Elektron gazını kırık-kapı adı verilen yöntemle bir doğru boyunca arındırıp iki taraftaki serbest bölgeler arasında elektron dalga boyu mertebesinde dar bir açıklık bırakıldığında bir kuantum nokta bağlantısı elde edilir. Kuantum nokta bağlantısının direnci iletime katkıda bulunan enerji bandı sayısı ile belirlenir ve kuantumlaşmış durumdadır. Bu ilginç özelliğin deneyle gözlenmesi ve ayrıntılı kurumsal açıklaması, mezoskopik fizik çevrelerinde büyük bir heyecanın doğmasına neden oldu. Çünkü bu deney sayesinde mezoskopiğin temel direklerinden sayılan Landauer formülünün sınanması olanağı doğdu.
Bilindiği gibi, elektron dalgaları mikroskopik ölçekte anlamlıdır. Öte yandan bir direnç ölçümü için mikroskopik boyutta bir örneği kaynak, voltmetre vb. makroskopik büyüklükteki elektronik aletlere bağlamak gerekmektedir. Böyle bir ölçümün kurumsal incelenmesi mikroskopik çokluklarla(dalga fonksiyonu) makroskopik çokluklar (gerilim farkı, akım, vb.) arasında bir bağıntı kurulmasını gerektirir. Bu bağıntı mezoskopik fiziğin doğuşundan önce, 1957’de Landauer tarafından önerilmişti. Landauer bağıntısı, kuantum nokta bağlantıları, üretilene kadar çok duyarlı bir şekilde deneylerle karşılaştırılamamış ve güvenilirliğinden hep kuşkulanılmıştı. Mezoskopik deneyler Landauer formülü ile elde edilen sonucu verdiklerinde kuşkusuz önemli bir kuramsal boşluk da sağlam bir şekilde doldurulmuş oldu. Hassas litografi yöntemleri ve iki boyutlu elektron gazı kullanılarak değişik mezoskopik yapılar oluşturmayı başaran deneyciler, sonunda kuantum noktaları elde etmeyi başardılar. Elektron gazında bir bölgeyi çepeçevre arındırarak elektronları sıfır-boyutlu bir bölgeye hapsedebiliriz. Sıfır-boyutlu bu adacık kuantum noktası diye anılır. Bir kuantum noktası, normalde çevresinden yalıtılmış durumdadır. Fakat çeperlerindeki potansiyel eşiği biraz alçaltılırsa çok ilginç bir şey gözlenir: Klasik olarak elektronun nokta dışına çıkması olası değilken, kuantum mekaniğine göre elektron, çok ufak bir olasılıkla da olsa, dışarıya sızabilir. Bu olaya kuantum tünelleme etkisi denir.
Bir kuantum noktası elektronların tünellenebileceği birer engelle iki elektron havuzuna bağlanırsa mezoskopik fiziğin yine oldukça ilginç bir başka olgusunu elde edebiliriz. Elektron havuzlarından kuantum noktasına tünelleyen yüksek enerjili elektronlar coulomb etkileşimi nedeniyle, sistemin enerjisini arttıracaklarından düşük enerjili elektronların tünellenmesi engellenir. Ancak adacıkla havuzlar arasına sonlu bir gerilim uygulandığında tünelleme olayını başlatmak olasıdır. Uygulanan gerilim, tünellemenin coulomb engellenmesi denilen eşiği geçtiğinde elektronlar bir musluğun damlasını andıracak şekilde teker teker tünellenmeye başlarlar. Tek-elektron tünellenmesi denilen bu olay 1969’da çok farklı yapıda, metal granülleri içeren bir yalıtkandan inelastik elektron tünellenmesi gözlenirken bulundu., 1980’lerin sonlarına kadar metal temelli litografi ile üretilen tek-elektron aygıtları, son on yıldır düşük boyutlu yarı iletken yapılar kullanılarak elde ediliyor ve bu sayede çok daha ayrıntılı deneyler yapılabiliyor. Özellikle Likharev’in çalışmaları sonucu, önerilen çok sayıda tek-elektron aygıtı birer birer üretilerek günümüzde mikro elektronik teknolojisinin emrine girmektedir.
Mezoskopik fiziğin teknoloji ile ilişkisi günümüzde çok ileri bir düzeye ulaşmıştır. Artık malzemeleri bir atom ya da molekül düzeyinde kontrollü bir şekilde değiştirmekte kullanılarak gereçler yapılabilmektedir. Bu yeni teknolojinin adına
Nanoteknoloji denmektedir. Bu konudaki ayrıntılı bilgiler Bilim ve Ütopya dergisinin Şubat 2007 özel sayısında mevcuttur.
Fizikçilerin mezoskopik dünyadaki araştırmaları ve konuya olan ilgileri nanoteknolojinin öne çıkmasıyla birlikte artacağı yerde biraz yavaşlamış görünüyor. Mezoskopik fizikle ilgili araştırmalar bir yandan kuantum mekaniğini daha iyi anlamamıza yardım ederken, bir yandan da 21. yy. da kullanacağımız yeni teknolojileri oluşturmaya yöneliyorlar. Nanoteknoloji bu sayede doğmuştur. Gözümüzü mezoskopik fizikten ayırmamamız gerekiyor. Bu alanın insanlığa sunabileceği bilgi ve teknik olarak daha çok şeylerin olabileceğinden hiç kuşkunuz olmasın! Özellikle mezoskopik fizikteki yeni gelişmelerin geleceğin hızlı bilgisayarlarının yeni çalışma ilkelerinin keşfinde önemli bir rol oynayacağına inanıyoruz. Bizce bu alan genç araştırmacılara hala benzersiz olanaklar sağlayabilir.

Prof. Dr. Süleyman BOZDEMİR, Ç.Ü. Fen-Ede. Fak. Fizik Böl. ADANA
Yard. Doç. Dr. Sıtkı EKER, Ahi Evran Üniv. Fen-Ede. Fak. Fizik Böl. KIRŞEHİR

Kaynaklar:
(1)-Erkan TEKMAN, “Mezoskopik” Tübitak, Bilim ve Teknik Dergisi Sayı:327 Şubat
1995
(2)-Althshular, B.L., Lee, P.A., WEBB, R.A., “Mesoscopik phenomena in Solids’’.
Amsterdam 1991

Yorumlar (0)

Bu yorumun beslemesine abone olun

İsim

E-posta

Başlık

Yorum

daha küçük | daha büyük

E-posta ile takip (sadece kayıtlı kullanıcılar)

Okudum ve kabul ediyorum Kullanım şartları.

Yorum Ekle