İdeal cama bir adım daha yakın: simülasyonlar mutlak sıfırdaki gizli düzeni ortaya çıkarıyor

Fiziksel anlamda cam, bilinen pencere camlarıyla sınırlı değildir; bir sıvı kristalleşemeyecek kadar hızlı soğutulduğunda oluşur. Sonuç olarak cam amorf bir yapıya sahiptir; yani “yapı taşları” kristallerdeki gibi düzenli düzenlenmemiştir. Ancak aynı zamanda cam, deformasyona karşı kristal bir katı kadar dayanıklıdır.

Cam geçiş sırasında ne olur?

Camın tam olarak ne olduğu, yoğun madde fiziğinin çözülmemiş en önemli sorularından biri olmaya devam ediyor. Örneğin, sıvıdan camsı duruma geçişin, maddenin iki farklı durumu arasında gerçek bir termodinamik faz geçişi mi olduğu, yoksa sıvının yalnızca son derece yavaş bir şekilde deforme olduğu tamamen dinamik bir olay mı olduğu açık değildir.

Maddenin varsayımsal bir dördüncü hali (gaz, sıvı ve kristal katının yanı sıra) çeşitli teorik yaklaşımlarla tahmin edilmiştir ve “ideal cam” olarak anılır. Ancak şimdiye kadar deneysel veya sayısal doğrulama mümkün olmadı çünkü ideal bir cam elde etmek, ilgili sıvının kristalleşmeden sonsuz yavaşlıkta soğutulmasını gerektirecektir.

Mutlak sıfıra giden ilk bilgisayar simülasyonu

Teorik Fizik Bölümü’nden Gerhard Jung liderliğindeki bir fizikçi ekibi, iki boyutlu bir sıvının ideal cam durumuna ulaşacak şekilde soğutulmasını hesaplamalı olarak modellemeyi başardı. Araştırmaları şu dergide yayınlandı: Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri.

Anahtar, farklı sayısal yöntemlerin birleşimiydi çünkü geleneksel bilgisayar simülasyonları bu görev için zor bir sınıra ulaşıyordu: Parçacıkların, üzerlerine etki eden kuvvetlerin etkisi altında adım adım nasıl hareket ettiğini hesaplıyorlar. Bu tür hesaplamalar milyonlarca kez tekrarlansa bile yalnızca sınırlı bir zaman dilimini temsil edebilir.

Yalnızca üç farklı istatistiksel yöntemin entegrasyonu, araştırma ekibinin bir model sistemi mutlak sıfıra kadar soğutmasını sağladı. Jung, “İdeal camları modellemenin ve cam geçiş teorilerini test etmenin temel olarak mümkün olduğunu gösteriyoruz. Bu daha önce net değildi ve bu nedenle son derece olumlu bir haber” dedi.

Göze çarpmayan düzen

Simülasyonun yardımıyla araştırmacılar ilk kez ideal bir camın özelliklerini doğrudan araştırabildiler. Düşük sıcaklıklarda olası parçacık konfigürasyonlarının sayısının aşırı derecede azaldığını gözlemlediler. Bu, açıkça belirlenmiş bir yapıya sahip olan bir kristalin aksine, tipik olarak sayısız farklı, eşdeğer konfigürasyonla karakterize edilen amorf yapılar için alışılmadık bir durumdur. İdeal camda ise bu çeşitlilik neredeyse tamamen azalır.

Sonuçta sistemde yalnızca çok az sayıda konfigürasyon kalıyor: İnsan gözüne hala düzensiz görünen ama neredeyse bir kristalinki kadar net bir şekilde tanımlanabilecek bir düzen.

Çalışmadaki modelleme, maksimum 77 parçacıktan oluşan çok küçük sistemlere odaklandı. Ancak yazarlar, sistem boyutu arttıkça ideal cam formlarının mutlak sıfıra yaklaştığı sıcaklığı göstermeyi başardılar. Bu nedenle, çok sayıda parçacık içeren iki boyutlu malzemelerde, bu noktadan önce mutlak sıfıra ulaşılacağı için cam geçişinin gözlemlenemeyeceği sonucuna varılabilir; bu, teorik argümanlar ve önceki sayısal tahminlerle tutarlı bir sonuçtur.

İkinci boyuttan üçüncü boyuta

Bu yayınla yazarlar, Nobel ödüllü Philip W. Anderson’a göre katı hal teorisindeki en ilginç sorunlardan biri olan cam geçişini açıklamaya bir adım daha yaklaştılar. Bir sonraki adım geliştirilen metodolojiyi genişletmek ve uygulamaktır. Örneğin hesaplamalar, büyük sistemler için bile mutlak sıfırın üzerinde bir geçiş sıcaklığının beklendiği üç boyutlu sistemlere uygulanmalıdır.

Jung, “Sonunda cam geçiş sorununu yanıtlamak için algoritmanın önemli ölçüde daha büyük sistemlere uygulanması gerekiyor. Bunun nasıl başarılabileceği hala açık bir soru” dedi. “Ancak çalışmamızın asıl belirleyici mesajı, keyfi olarak düşük sıcaklıklarda termodinamik dengeye getirebileceğimiz yapılar geliştirmenin temelde mümkün olduğudur” dedi.