Kuantum sıvıları ve tarihsel gelişimi
Quantum liquids and its historical development
Yazar: SEYHAN AYDIN
Danışman: PROF. DR. HASAN TATLIPINAR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Fizik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Yeterince yüksek sıcaklıklarda ve düşük yoğunluklarda, ikili saçılma dışında her atomun serbestçe hareket ettiği nötr bir atom sistemi düşünün. Böyle bir sistem seyreltik gaz olarak adlandırılır ve tüm fiziksel özellikleri gazların kinetik teorisi ile açıklanabilir. Bu sistemde basınç artırılıp sıcaklık düşürülürse sistem belirli kritik değerlerde 1. tip faz geçişi ile gaz fazından sıvı fazına geçer. Geçiş, tanecikler arasındaki etkileşimin artması nedeniyle gerçekleşir ve tanecikler arasındaki etkileşimin potansiyel enerjisi, taneciklerin kinetik enerjisine hakim olur. Bu geçiş tanecikler arasındaki dinamik etkileşimlerden kaynaklandığı için ortaya çıkan sıvı sisteme Klasik Sıvılar denir. Sıcaklık daha da düşürülürse sistem tekrar 1. tip faz geçişini yaparak katı faza geçer. He-3 ve He-4 izotopları, doğadaki bu klasik faz geçiş şemasına uymazlar. Deneysel gözlemlere göre, sıcaklık yeterince düşürüldüğünde Helyum katı faza geçmez, sıvı fazda kalır. Bunun nedeni Helyum atomlarının kuantum karakteridir. Bu nedenle klasik şemaya uymayan bu sıvılara kuantum sıvıları denir. Helyum izotoplarının yanı sıra metallerde, yarı metallerde ve dejenere yarı iletkenlerde iletim elektronları da kuantum sıvıları olarak incelenebilir. Bu tezde Landau teorisi çerçevesinde yarı parçacık yaklaşımı kullanılarak kuantum sıvılarının temel özellikleri verilecektir. Ayrıca kuantum sıvılarının ortaya çıkışı ve çeşitli sistemlerin kuantum sıvıları çerçevesinde incelenmesinin tarihsel gelişim içinde nasıl olduğu üzerinde durulacaktır. Bu tarihsel gelişim, matematiksel olarak ifade etmek yerine konuya ilgi duyan herkesin anlayacağı şekilde oldukça sade bir şekilde verilecektir Buna göre tezde süperakışkanlık, süperiletkenlik, Bose-Einstein yoğuşması ve kuantum spin sistemlerinin de kuantum sıvıları ile olan ilgisi basitçe anlatılacaktır.

Abstract:
Consider a neutral atomic system, where at sufficiently high temperatures and low densities every atom moves freely, except for binary scattering. Such a system is called a dilute gas, and all its physical properties can be explained by the kinetic theory of gases. In such system, if the pressure is increased and the temperature is decreased, the system passes from the gas phase to the liquid phase with the 1st type phase transition at certain critical values. Transition occurs because of the increase in the interaction between the particles and the potential energy of the interaction between the particles dominates the kinetic energy of particles. Since this transition is caused by dynamic interactions between particles, the resulting liquid system is called Classical Liquids. If the temperature is lowered further, the system switches to the solid phase by making the 1st type phase transition again. The He-3 and He-4 isotopes do not obey this classical phase transition scheme in nature. According to experimental observations, when the temperature is enough lowered, Helium does not pass into the solid phase but remains in the liquid phase. This is due to the quantum character of Helium atoms. Therefore, these liquids that do not follow the classical scheme are called quantum liquids. Apart from Helium isotopes conduction electrons in metals, semi-metals, and degenerate semiconductors can also be studied as quantum liquids. In this thesis, the basic properties of quantum liquids will be given using the semi-particle approach within the framework of Landau theory. In addition, the emergence of quantum liquids and the study of various systems within the framework of quantum liquids will be emphasized in historical development. Instead of expressing this historical development mathematically, it will be given very simply in a way that anyone interested in the subject can understand. Accordingly, the relationship between superfluidity, superconductivity, Bose-Einstein condensation and quantum sipin systems with quantum liquids will be explained simply in the thesis.