Kuş sürüsü, simetrinin bozulması olarak da görülebilir: Rastgele yönlerde uçmak yerine, bir mıknatıstaki dönüşler gibi hizalanırlar. Ancak önemli bir fark var: Bir ferromanyetik faz geçişi, dengede bir sistem olduğu için istatistiksel mekanik kullanılarak kolayca açıklanabilir.
Ancak trafikteki kuşlar ve hücreler, bakteriler ve arabalar sisteme yeni enerji katar. Reichhardt, “Bir iç enerji kaynağına sahip oldukları için farklı davranıyorlar” dedi. “Ve enerji tasarrufu yapmadıkları için, sistem söz konusu olduğunda, birdenbire ortaya çıkıyor.”
Kuantumun Ötesinde
Hanai ve Littlewood, BEC faz geçişlerini araştırmalarına sıradan, iyi bilinen faz geçişlerini düşünerek başladılar. Suyu düşünün: Littlewood, sıvı su ve buhar farklı görünse de, temelde aralarında simetri farkı olmadığını söyledi. Matematiksel olarak, geçiş noktasında iki durum ayırt edilemez. Dengede olan bir sistemde bu noktaya kritik nokta denir.
Kritik fenomenler her yerde ortaya çıkıyor – kozmolojide, yüksek enerjili fizikte, hatta biyolojik sistemlerde. Ancak tüm bu örneklerde, araştırmacılar, kuantum mekanik sistemler çevreye bağlandığında oluşan, sürekli sönümleme ve pompalama geçiren kondensatlar için iyi bir model bulamadılar.
Hanai ve Littlewood, farklı mekanizmalardan açıkça ortaya çıkmış olsalar bile, kritik noktaların ve istisnai noktaların bazı önemli özellikleri paylaşmaları gerektiğinden şüpheleniyorlardı. Littlewood, “Kritik noktalar, bu iki aşama arasındaki farkı anlayamayacağınız ilginç bir matematiksel soyutlamadır” dedi. Bu polariton sistemlerinde de tam olarak aynı şey oluyor.”
Ayrıca matematiksel başlık altında bir lazerin -teknik olarak maddenin bir halidir- ve bir polariton-eksiton BEC’nin aynı temel denklemlere sahip olduğunu biliyorlardı. 2019’da yayınlanan bir makalede, araştırmacılar, kuantum dinamik sistemlerde istisnai noktaların faz geçişlerine yol açtığı yeni ve en önemlisi evrensel bir mekanizma önererek noktaları birleştirdi.
Hanai, “Bu geçişler için ilk açıklamanın bu olduğuna inanıyoruz” dedi.
Hanai, aynı zamanda, maddenin kuantum halini inceliyor olmalarına rağmen, denklemlerinin kuantum mekaniğine bağlı olmadığını fark ettiklerini söyledi. Çalıştıkları fenomen daha da büyük ve daha genel fenomenler için geçerli miydi? “Bu fikirden şüphelenmeye başladık. [connecting a phase transition to an exceptional point] klasik sistemlere de uygulanabilir.”
Ama bu fikri kovalamak için yardıma ihtiyaçları var. Klasik alemde olağandışı simetrileri inceleyen Vitelli’nin laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olan Vitelli ve Michel Fruchart’a yaklaştılar. Çalışmaları, karşılıklı olmayan etkileşimler açısından zengin olan metamalzemelere kadar uzanır; örneğin bir tarafa basıldığında farklı tepkiler gösterebilirler ve ayrıca istisnai noktalar da gösterebilirler.
Vitelli ve Fruchart hemen ilgilendiler. Polariton yoğunlaşmasında bazı evrensel ilkeler mi, enerjinin korunmadığı sistemler hakkında bazı temel yasalar mı vardı?
Senkronizasyona Başlarken
Artık bir dörtlü olan araştırmacılar, karşılıklı olmama ve faz geçişleri arasındaki bağlantıyı destekleyen genel ilkeleri aramaya başladılar. Vitelli için bu, elleriyle düşünmek demekti. Zor, soyut fenomenleri göstermek için fiziksel mekanik sistemler inşa etme alışkanlığına sahiptir. Örneğin geçmişte, kenarlarda iç kısımda olduğundan farklı hareket eden topolojik malzemeler haline gelen kafesler inşa etmek için Legoları kullandı.
“Konuştuğumuz şey teorik olsa da, bunu oyuncaklarla gösterebilirsiniz” dedi.