Kuantum fiziğinin başlangıcından beri, ışığın madde ile hareketi ve etkileşimi, ağırlıklı olarak enerjisinin merceği üzerinden matematiksel olarak tanımlanmış ve kavranmıştır. Max Planck, kuantum fiziğinin temellerinde çığır açan bir çalışmada, 1900’de ısıtılmış cisimlerden ışığın nasıl yayıldığını açıklamak için enerjiyi kullandı. Albert Einstein 1905’te foton kavramını yarattığında, enerjiyi kullandı. Kuantum Mekaniğinin Temellerine İlişkin Yeni Görüşler ileri sürülürken Einstein’ın Ayak İzlerine ve Ötesinde olanlara dikkat edilmesi gerektiği de ortaya çıkmaktadır.
Bununla birlikte, ışığın momentum olarak bilinen başka bir temel özelliği vardır. Ve ortaya çıktığı gibi, momentumu aldığınızda, ışık gerçekten alışılmadık şekillerde davranmaya başlamaktadır. Çok uluslu bir fizikçi grubu kuantum fiziğinin temellerini momentum açısından yeniden inceliyor ve ışığın momentumu sıfıra indirildiğinde ne olacağını araştırıyor. Harvard’ın John A. Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu’nda (SEAS) araştırma görevlisi olan Michael Lobet ve SEAS’TAKİ Balkanski Fizik ve Uygulamalı Fizik Profesörü Eric Mazur ekibi yönetiyor.
25 Nisan 2022’de bulgular Nature Light Science & Applications dergisinde yayınlandı.
Atomlardan mermilere ve asteroitlere kadar, kütlesi ve hızı olan her nesnenin momentumu vardır ve momentum bir nesneden diğerine iletilebilir. Bir mermi ateş aldığında merminin momentumu tabancaya aktarıldığı için tabanca geri tepiyor. Bir atom, fotonun kazandığı momentum nedeniyle ışık ürettiğinde mikroskobik ölçekte geri teper. Atomik geri tepme, başlangıçta Einstein tarafından radyasyonun kuantum teorisini yaratırken tanımlanan, ışık emisyonunu yöneten temel bir fenomendir.
Bununla birlikte, Planck ve Einstein‘dan bir asır sonra, yeni bir metamalzeme sınıfı, bu temel fenomenlerle ilgili sorunları gündeme getiriyor. Bu metamalzemelerin sıfıra yakın bir kırılma indeksi vardır, bu da ışığın tepeli ve çukurlu dalgalar halinde içlerinden akmadığı anlamına gelir. Bunun yerine dalga sonsuza kadar gerilir ve bu da sabit bir faz ile sonuçlanır. Atomik geri tepme gibi birçok yaygın kuantum fiziği fenomeni, bu olduğunda ortadan kaybolur.
Neden her şey momentuma geri döner. Bu sıfıra yakın indeksli malzemelerde, ışığın dalga momentumu sıfır olur ve dalga momentumu sıfır olduğunda garip şeyler olur.
Belçika’daki Namur Üniversitesi’nde öğretim görevlisi olan Lobet, “Üç boyutlu sıfıra yakın indeks malzemelerinde temel ışınımsal süreçler engellenir” diye açıklıyor. “Bir atomun momentum geri tepmesinin sıfıra yakın indeksli malzemelerde yasak olduğunu ve elektromanyetik alan ile atom arasında hiçbir momentum transferine izin verilmediğini keşfettik.”
Einstein’ın ilkelerinden birinin ihlali yeterli değilse, araştırmacılar, muhtemelen en iyi bilinen kuantum fiziği deneyi olan Young’ın çift yarık deneyini de yok ettiler. Bu deney, ışığın hem dalga hem de parçacık özelliklerine sahip olabileceğini gösteren kuantum fiziğinin parçacık-dalga ikiliğini açıklamak için dünyanın her yerindeki sınıflarda kullanılmaktadır.
Standart bir malzemede iki yarıktan akan ışık, ekranın ortasında parlak bir nokta oluşturmak üzere etkileşime giren iki uyumlu dalga kaynağı üretir; bunlar, kırınım saçakları olarak bilinen, her iki tarafta da açık ve koyu saçaklardan oluşan bir desen oluşturur.
Danimarka Teknik Üniversitesi’nden ortak yazar Larissa Vertchenko, “Young’ın çift yarık deneyini modellediğimizde ve sayısal olarak analiz ettiğimizde, kırılma indisi azaldığında kırınım saçaklarının ortadan kalktığını keşfettik” dedi.
İspanya, Pamplona’daki Navarre Devlet Üniversitesi’nden ortak yazar Iñigo Liberal, “Gözlemlenebileceği gibi, bu çalışma dalga-parçacık ikiliğinin sınırlarını araştırıyor ve kuantum fiziğinin temel yasalarını sorguluyor” dedi.
Bazı temel işlemler engellenirken, diğerleri sıfıra yakın kırılma indisli malzemelerde kolaylaştırılır. Bir başka iyi bilinen kuantum fenomeni, bazen fizikte Heisenberg eşitsizliği olarak bilinen Heisenberg’in belirsizlik ilkesidir. Bu kavram, bir parçacığın hem konumunu hem de hızını tam olarak bilemeyeceğinizi ve biri hakkında ne kadar çok şey bilirseniz, diğeri hakkında o kadar az şey bildiğinizi iddia eder. Bununla birlikte, indeksi sıfıra yakın olan malzemelerde, parçacığın momentumunun sıfır olduğundan emin olabilirsiniz, bu da parçacığın herhangi bir zamanda malzemenin neresinde olduğuna dair hiçbir fikriniz olmadığı anlamına gelir.
Lobet, “Bu malzeme korkunç bir mikroskop yapar,” dedi, “ama nesneleri tamamen gizlemenize izin veriyor.” “Nesneler bir şekilde görünmez hale gelir.”
Mazur, “Momentum açısından bakıldığında, bu yeni teorik sonuçlar, sıfıra yakın kırılma indisi fotonikleri hakkında yeni bilgiler sunuyor,” diye ekledi. “Lasing ve kuantum optik uygulamaları için yararlı olan düşük kırılma indeksli sistemlerde hafif madde etkileşimlerini anlamamıza katkıda bulunuyor.”
Araştırmanın diğer uygulamaları arasında kuantum bilgisayarlar, bir seferde tek bir foton yayan ışık kaynakları, bir dalga kılavuzu aracılığıyla kayıpsız ışık yayılımı ve daha fazlası yer alabilir.
Momentum açısından bakıldığında, ekip bu malzemelerdeki diğer temel kuantum deneylerini incelemeyi planlıyor. Einstein, sıfıra yakın kırılma indisine sahip malzemeleri tahmin etmese bile, momentumun önemini vurguladı. Einstein, 1916’da temel ışınımsal süreçler üzerine yaptığı önemli çalışmasında, “enerji ve momentum, mümkün olan en yakın şekilde ilişkili olduğu için, teorik bir bakış açısından tamamen eşit bir temelde görülmelidir” diye yazmıştı.
Lobet, “Fizikçiler olarak, Einstein gibi dahilerin izinden gitmek ve teorilerini daha ileriye taşımak bir rüyadır” diye ekledi. “Fizikçileri, bu temel süreçleri daha iyi anlamamıza ve yeni uygulamalar geliştirmemize yardımcı olacak yeni bir araç ve yeni bir bakış açısıyla donatmayı amaçlıyoruz.”
Kaynak: scitechdaily
