Beklenmedik nesneler, zaman zaman ilginç fizik deneylerinin başrolünde yer alabiliyor. Bu sefer o nesne, hepimizin mutfağında bulunan sıradan üzümler oldu! Evet, bildiğiniz “yemelik” üzümler…
Şuradan başlayalım: Sosyal medyada gezinirken belki “mikrodalga fırına konan üzümün kıvılcım saçtığını” gösteren videolarla rastlamışsınızdır. En son 2019’da bir “YouTuber çılgınlığı” olarak karşımıza çıkan ve aklınıza gelebilecek tüm meşhur (ve yabancı) deney YouTuber’ı tarafından sergilenen bu tuhaf olgu, aslında 1990’ların başından beri üzüm tanelerini mikrodalga fırına koyan insanların gördükleri bir fenomen: Üzümleri yan yana koyup mikrodalga fırını çalıştırdığınızda, göz kamaştırıcı bir “kıvılcım şovu” elde ediyorsunuz. Ve bu kıvılcımların nedeni, çok yakın bir geçmişe kadar bilinmiyordu.
Başlangıçta bu kıvılcımların, üzümün içindeki elektrik alan yoğunluğu yüzünden patlak verdiği düşünülüyordu. Nitekim su molekülleri ile yük taşıyan iyonların varlığı, kısa sürede iyonizasyon ve plazma yaratmaya yetecek kadar güçlü bir alan üretiyor. Fakat son yıllarda yapılan çalışmalar, sadece elektrik alanın değil, işin içinde aynı zamanda manyetik alan bileşeninin de varlığını da gösteriyor.
Avustralya’daki Macquarie Üniversitesi’nde yürütülen ve geçtiğimiz hafta yayınlanan yeni bir çalışma, mikrodalgaya maruz kalan üzüm tanelerinden yayılan güçlü yerel (lokal) manyetik alanların, katı hâl kuantum sistemleriyle etkileşebileceğini doğruladı. Başka bir deyişle, sıradan bir manav üzümü, laboratuvarlarda kullanılan pahalı bir mikrodalga rezonatörü gibi davranabiliyor! Araştırmacılar, elmas içinde bulunan ve “nitrojen-vakans” (N-V) diye adlandırılan minik kusurları (defektleri) bu üzüm rezonatörüne yaklaştırdıklarında, kuantum sensörün mikrodalga hassasiyetinin en az iki katına çıktığını gözlemlediler. Physical Review Applied dergisinde yayımlanan bu sonuçlar, doğada “rastgele” görünen bazı düzeneklerin yüksek teknolojili uygulamalarda dahi değerlendirilebileceğini göstermesi bakımından çarpıcı.
Mikrodalga
Görünmez bir dalga formu olan mikrodalgaların bayağı bir meyveyle birleşip de kuantum aleminin kapısını nasıl araladığı egzotik bir soru olsa da işin perde arkasını biraz incelediğimizde, burada gözlemlenen evanesan (sönümleyici) mikrodalga alanlarının, yüksek duyarlılıkla manyetik alanı ölçmeye yarayan N-V merkezleriyle nasıl etkileşime girdiğini görmek mümkün. Üzüm taneleri, su içeriği ve elipsoidal geometrisi sayesinde “morfojenez bağımlı rezonans” (MDR) adı verilen bir olguyla, tıpkı bir antenden fırlayan dalgaları odaklamak üzere tasarlanmış bir mikrodalga rezonatör gibi davranıyor.
Bunun nasıl çalıştığını anlamak için, nitrojen-vakans (N-V) merkezlerini anlamamız gerekiyor. Karbon atomlarının kristal kafes şeklinde düzenlendiği elmasın içinde, bir karbon atomu yerine azot atomu yerleştirilmişse ve o azotun yanıbaşında da bir “boşluk” (vakans) varsa, bu tuhaf çiftimize “N-V merkezi” diyoruz. Dolayısıyla elmas, o “kusursuz” görüntüsünün altında aslında çok sayıda defekt (kusur) barındırabiliyor. Fakat N-V kusurları öylesine yararlı ki, görece oda sıcaklığında çalışan bir kuantum sensör gibi görev yapabiliyorlar. Bize mikrodalga alanlarını, manyetik alanları, basıncı veya sıcaklığı ölçme şansı tanıyorlar. N-V merkezi üzerinde ışık (yeşil bir lazer gibi) parlatıp, sonra kusurun saçtığı ışığı (sahte-kırmızı) gözlemleyerek, kusurun kuantum durumunu izlemek mümkün oluyor. Eğer N-V’nin “faz durumu” kuvvetli bir manyetik alanla etkileşirse, N-V’nin verdiği ışımanın miktarı veya frekansı değişebiliyor. Bu olguya da “Optik Yolla Saptanan Manyetik Rezonans” (ODMR) deniyor.
Avusturalya’daki araştırmanın deneysel bölümünde, uç kısmına nanometre boyutlu elmas tanecikleri (N-V kusurları barındıran “nanodiamond”) yapıştırılmış bir fiber kullanıldı. Bu düzenekte minik bir bakır tel anten, mikrodalga sinyalleri anten gibi yayıyordu. İki adet üzüm ise, bu antenin etki alanı içinde, yaklaşık 1 mm kadar aralıkla yerleştirildi. Böylece üzüm ikilisinin tam ortasına, yani muhtemel “hotspot”un (elektromanyetik alanca zengin olan bir “sıcak nokta”nın) bulunduğu yere N-V merkezleri denk getirildi. Ardından lazer ışığı gönderilerek N-V’nin açığa çıkardığı kırmızı ışık yakından izlendi ve manyetik rezonans tepeleri (ODMR spektrumu) tarandı.
Artış gözlemlendi
Ortada üzüm yokken sistem çalışsa da elde edilen manyetik etkileşim gücü (dolayısıyla ODMR kontrastı) görece düşük kalıyordu. Ancak üzüm ikilisi yerleştirildiğinde, mikrodalga alanının manyetik bileşeninde 2 kata yakın (hatta bazı kurulumlarda daha da fazla) artış olduğu gözlemlendi. Bu da “üzüm dimerleri”nin sadece elektriği değil, manyetizmayı da büyük ölçüde yoğunlaştırdığını kanıtlıyor.
Bu deneyler sırasında araştırmacılar, ilgili alanın daha yüksek mi yoksa daha zayıf mı olduğunu (ki bu da N-V merkezinin verdikleri sinyallerden anlaşılıyor) üzüm salkımını farklı mesafelere kaydırarak ölçtüler. Ölçümlerdeki karşılaştırma, sadece antenle yapılanla, anten ve üzüm ikilisiyle yapılan testlerden elde edilen sonuçların çarpıcı biçimde farklı olduğunu tasdikledi. Dahası, üzüm taneleri arasındaki aralığın 0,5 mm kadar olmasının, deneydeki en yüksek manyetik alan şiddetini ürettiği görüldü. Aralık büyüyünce alan zayıfladı, çünkü üzüm taneleri rezonatör “çift küre” gibi davrandıkları için optimum geometri bozuluyordu.
Bu makalenin en çok dikkat çeken kısımlarından biri de deneysel bulguları, sonrasında “sonlu elemanlar yöntemi” (FEM) ile yapılan bilgisayar simülasyonları yardımıyla desteklemeleri. Üzümleri elipsoid şeklinde modelleyip, suyun yüksek dielektrik geçirgenlik değeri (yaklaşık 80) ile anteni üç boyutlu bir uzayda simüle ettiler. Sonuçta 2,87 GHz dolayında güçlü bir manyetik “hotspot” (yaklaşık 25 MHz bant genişliği) ortaya çıktı. Üzümün içindeki su moleküllerinin yüksek permitivitesinden ötürü (saf suyun kırılma indisinin mikrodalga bölgesinde oldukça yüksek olması da işin cabası), bu dalgaları adeta çeperinden yansıtarak sıkışmaya zorladı. Ortada kayıplar (soğurma) olduğu için kalite faktörü (Q) nispeten düşük (~100 civarı); buna karşın alanın doruğa ulaştığı noktalarda, piyasada çok daha pahalı olan bazı rezonatör dizaynlarınınkine benzer yerel alan şiddetleri yakalanabildi. Uzmanlar, deneysel ölçümde elde ettikleri bu “2 kata varan” manyetik alan artışının, hesaplamalara da uyumlu olduğunu vurguluyorlar. Örneğin kayıpların sıfır varsayıldığı (kuru bir “üzüm benzeri”) senaryoda 6 kata kadar alan büyümesi bile yakalanabildi; fakat gerçek üzümde su içeriğinin soğurucu niteliği, değeri en fazla 2-3 kat civarına çekiyor.
Bu işin teknik tarafı… Evinizde bu deneyi yapıp “Aa üzümler kıvılcım saçtı, ne harika!” diyip işin eğlencesine bakıyor olsanız da gerçekte mikrodalga rezonatörlerinin pek çok teknolojik kullanım alanı mevcut. Örneğin bir “maser” (mikrodalga lazeri) inşa etmek için, mikrodalga alanlarını yüksek Q ile sıkıştırmak gerekiyor. Üzümler bunu yapabiliyor! Yine, karanlık madde avında kullanılan bazı dedektörlerde mikrodalga rezonatörleri kritik rol üstleniyor. Kuantum bilgisayarların kuantum bitlerini (örneğin süperiletken kübitler ya da N-V merkezli spin kübitler) sürmek ve okumak için de çoğu zaman mikrodalga rezonatörler gerekiyor. Manavdan alınan üzümlerin taneleri elbette bu tip hassas deney düzenekleri için pek pratik bir çözüm olmayabilir. Yok, absürt olmasından değil, su kayıplarının yüksek, Q değerlerinin düşük olmasından ötürü (ve evet, milyon dolarlık deney düzeneklerinde manav üzümü kullanmanın epey komik de olmasından ötürü). Bununla birlikte, suyun yüksek kırılma indisi, “düşük hacimde yüksek alan” yaratmak için potansiyel olarak ilginç ufuklar açabilir.
Bu çalışma ayrıca “morfojenez bağımlı rezonans” konseptinin, biyolojik dokuların dielektrik yapısıyla harmanlandığında belki de beklenmedik uygulamalar yaratabileceğini öngörüyor. Mesela hidrojel tabanlı yapılar da benzer rezonans davranışına sahip. Eğer bu sistemlerde soğurma biraz yönetilirse, kuantum sensörlerin minyatürleştirilmesi mümkün olabilir. Araştırmacılar, yüksek dielektrikli malzemelerle suyu karıştırıp, kayıpları düşürürsek yeni tür maser tasarımları ya da spin rezonansı uygulamaları geliştirebileceğimizi söylüyorlar.
Uzun lafın kısası bu deney, bugüne kadar en fazla lise derslerinde ve YouTube videolarında kullanılabilecek hoş bir deney olan “üzüm taneleri arasındaki kıvılcım fenomeni”nin arkasındaki fizik mekanizmalarını sadece doğrulamakla kalmayıp, bunun kuantum teknolojilerinde bile kullanılabilecek düzeyde ilginç bir manyetik alan odağı yarattığını gösteriyor. Gelecekte “hidrojel” ya da su-yüklü bileşiklerin, düşük-kayıplı dielektriklerle harmanlanmasıyla, belki de sıradan bir market meyvesini andıran, ancak laboratuvarın içinde kritik bir mikrodalga rezonatör işlevi gören platformlar hayal etmek mümkün olacak. Her ne kadar suyun yüksek soğurma katsayısı, bu tip “doğal rezonatör” yaklaşımını kısıtlasa da elde edilen sonuçlar, “malzeme mühendisi” gözüyle bakıldığında çok daha yaratıcı tasarımların yolda olduğunu müjdeliyor diyebilirim.
Yani bu deney sayesinde teknoloji dünyası, mikrodalgaları yöneten ve kuantum sistemlerle etkileşime giren pahalı rezonatör tasarımlarının ötesinde, bazen sadece bir çift üzüm tanesiyle bile bir “ara halka” elde edilebileceğini görmüş oldu. Üstelik bu “üzüm rezonatörü” öylesine güçlü ki, elmas içindeki N-V merkezlerinin ODMR sinyalini iki katına çıkararak deneycileri bile şaşırtmayı başardı. Bu çalışma, ileride makyajlanmış veya genetiği özel tasarlanmış biyolojik dokularla düşük maliyetli mikrodalga rezonatörleri üretmeye dair soruların kapısını aralıyor. Kim bilir, bir gün laboratuvarlarda safir ya da silika yerine doğrudan “yüksek su içerikli üzümlerle inşa edilmiş mini biyo-rezonatörler” kullanmak, kimsenin yadırgamayacağı bir yöntem hâline gelebilir.
BirGün / 29.12.24
