Massachusetts Üniversitesi, Ludwig-Maximilians-Universität, Max-Planck-Institut für Quantenoptik ve Münih Kuantum Bilim ve Teknoloji Merkezi (MCQST) tarafından kısa süre önce yürütülen bir çalışma, kaotik kuantum sistemlerindeki denge dalgalanmalarını inceledi.
Nature Physics dergisinde yayınlanan makaleleri, çok soğuk atomik gazlarda tek tek atomları görüntülemek ve manipüle etmek için kullanılan deneysel bir araç olan kuantum gazı mikroskobu ile yapılan büyük ölçekli kuantum simülasyonlarının sonuçlarını özetliyor.
Kuantum Gazı Mikroskobu ile Gözlemlenen Büyük Ölçekli Simülasyonlar
Makalenin yazarlarından Julian Wienand, “Bir kutuda çok sayıda parçacık olduğunu ve sistemin gelecekte nasıl gelişeceğini tahmin etmek istediğinizi düşünün. Bu parçacıkların fiziksel özelliklerini ve birbirleriyle nasıl etkileşime girdiklerini biliyorsunuz. Bu nedenle, her bir parçacığın hareketini hesaplayan bir simülasyon oluşturmak mümkün. Ancak pratikte takip edilmesi gereken çok fazla parçacık olduğunda, simülasyon hesaplama kaynaklarının yetersizliği nedeniyle başarısız olabilir. Neyse ki ilerlemenin bir yolu var: hidrodinamik,” diye açıkladı.
Kuantum fizikçileri, hidrodinamik teorisi aracılığıyla büyük sistemlerde parçacıklar arasındaki etkileşimleri modellemek için alternatif bir yöntem kullanabilir. Araştırmacılar, eğer bir sistem kaotikse, parçacıkların bir termal denge durumu sağlayacak şekilde etkileşime gireceğini varsayabilirler.
Wienand, “Bu, makroskopik bir tanım bulmamıza ve esasen parçacıkları basit diferansiyel denklemleri takip eden sürekli bir yoğunluk alanı olarak tanımlamamıza olanak tanır” dedi.
“Genel olarak, böyle bir yoğunluk alanı, mikroskobik olarak hızlı hareket eden parçacıklardan oluştuğu için dalgalanabilir. Bu dalgalanmalar rastgele olduğu için beyaz gürültü olarak adlandırılır. Bu dalgalanmaları diferansiyel denklemlerimize entegre etmek, dalgalanan hidrodinamiği (FHD) oluşturur.”
FHD, klasik hidrodinamik teorisinin bir uzantısı olup, bir sistemdeki termal dalgalanmaların etkilerini de tahmin eder. Bu genişletilmiş teorik çerçeve, fizikçilerin karmaşık sistemleri etkili bir şekilde tanımlamasına ve hesaplamasına olanak tanıyarak, küçük ölçekli değişkenleri de hesaba katmaktadır.
FHD Teorisi ve Kaotik Kuantum Sistemlerinde Difüzyon Süreci
FHD teorisi genel olarak, karmaşık sistemlerin tüm evriminin, difüzyon sabiti olarak bilinen bir dizi niceliğe bağlı olduğunu öne sürer. Bu teori, çeşitli klasik sistemleri incelemek için kullanılmış olsa da, kaotik kuantum sistemleri için geçerli olup olmadığı belirsizdir.
Wienand, “Kuantum sistemleri klasik muadillerinden temelde farklıdır, çünkü onları oluşturan parçacıklar dolanıklık gibi sezgilere aykırı kuantum fenomenleri sergileyebilir” dedi. “Ayrıca, hesaplamaları çok daha zor olduğundan, FHD’yi kullanarak bu sistemleri tanımlayabilmek, onları daha iyi anlamamıza ve onlar hakkında tahminler yapmamıza yardımcı olabilir.”
Wienand ve ekibi, çeşitli kuantum simülasyonları gerçekleştirmek için ¹³³Cs (sezyum) kuantum gazı mikroskobu kullandılar. Grup, ultra soğuk Cs atomlarını hapsederek bir optik kafes oluşturmak için lazer ışığını kullandı. Bu, birbirleriyle etkileşim halindeki kuantum parçacıklarından oluşan, kuantum çoklu cisim sistemi olarak adlandırılan bir sistemle sonuçlandı.
Wienand, “Mikroskobumuz sayesinde bu sistemin tek bölgeli çözünürlüğünde anlık görüntülerini alabiliyoruz, yani hangi kafes bölgelerinin bir atom tarafından işgal edildiğini ve hangilerinin boş olduğunu tespit edebiliyoruz” dedi. “Bu, sistemin belirli bölgelerindeki parçacıkların sayısını saymak ve atom sayısı dalgalanmaları da dahil olmak üzere bu gözlemlerin istatistiklerini ölçmek için çok önemlidir.”
Araştırmacılar, Cs atomlarını hassas konumlara yerleştirerek ve düzenli bir desen oluşturarak sistemlerini uyarılmış bir durumda hazırladılar. Daha sonra kafesin derinliğini aniden azaltarak atomların hareket etmeye ve birbirleriyle etkileşime girmeye başlamalarını sağladılar.
Wienand, “Sonuç olarak, kuantum çok cisimli sistem bir difüzyon sürecinden geçiyor ve termalleşiyor” dedi. “Isı dengeleme süreci boyunca, zaman içindeki değişimlerin büyümesini ve evrimini izliyoruz. Difüzyon sabitini ölçerek ve sistemin FHD tarafından iyi karakterize edildiğini belirleyerek, bu dalgalanmaların ve diğer gözlemlenebilirlerin büyüme hızını teori ile karşılaştırabiliyoruz.”
Bu akademik grubun son çalışması, kaotik kuantum sistemlerinin FHD teorisi kullanılarak niteliksel ve niceliksel olarak tanımlanabileceğine dair ilk kanıtı sunmaktadır. Şimdiye kadar bu başarı, farklı kaotik kuantum sistemlerini araştırmak için kullanılabilecek temel bir deneysel ortamda elde edilmiştir.
Wienand, “Bizim durumumuzda bu, tüm mikroskobik kuantum fiziğinin makroskopik olarak basit bir klasik difüzyonlu FHD modeli ile açıklanabileceği ve sistemin tüm makroskopik dinamiklerinin tek bir nicelikle, yani difüzyon sabiti ile tanımlanabileceği anlamına geliyor” diye belirtti. “Bu, bize kaotik kuantum sistemlerini incelemek ve en azından makroskopik ölçekte karmaşık görünen davranışları tahmin etmek için yeni araçlar sunuyor.”
Daha fazla bilgi için makalenin kaynağı: Julian F. Wienand et al, Emergence of fluctuating hydrodynamics in chaotic quantum systems, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02611-z.
Haberin kaynağı: phys.org/news/2024-09-team-emergence-fluctuating-hydrodynamics-chaotic.html
Haberi Derleyen: Fatma Nida Ocak – Üsküdar Üniversitesi Adli Bilimler Yüksek Lisans
