Araştırmacılar, ışık yerine titreşim enerjisi üretmek için kuantum rejiminde çalışan bir lazer kullanarak kuantum mekaniğindeki spin, titreşim ve dağılma arasındaki etkileşim hakkında daha fazla bilgi edinebilirler. Fonon lazerler, geleneksel bir lazerde kullanılan ışık uyarımları (fotonlar) yerine maddenin titreşim uyarımlarını (fononlar) kullanır.
Araştırmacılar, en az 10.000 fonona sahip önceki fonon lazerlerinin aksine, 10’dan az fonona sahip bir fonon lazerinin oluşumunu başarıyla indükleyerek, onu kuantum rejimine sağlam bir şekilde yerleştirdiler. Bu kuantum fonon lazeri, araştırmacılar tarafından dağılmanın kuantum sistem davranışını nasıl etkilediğini incelemek için kullanılacak.
Bir sistemin içine ya da dışına ısı olarak sızan enerji ya da dağılma, bazen fizikte bir sıkıntı olarak görülür, örneğin hava direnci olarak ortaya çıktığında ve bir aracın ya da uçağın yakıt verimliliğini düşürdüğünde. Bununla birlikte, dağılma kuantum sistemlerinde de mevcuttur ve kuantum dünyası üzerindeki etkileri henüz tam olarak anlaşılamamıştır. Jonathan Home ve Zürih’teki İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü’ndeki (ETH) meslektaşları, iki farklı dağılma türünün bir kuantum sisteminin davranışını değiştirmek için nasıl etkileşime girebileceğini öğrenmekle ilgileniyorlardı. Home’a göre bu tür deneylere olanak sağlayan “lazer, düşünebildiğimiz en basit kuantum sistemidir”.
Bir kuyuda iki iyon oturur. İyonlar birbirine bağlı sarkaç benzeri bir şekilde sallanır.
Araştırmacılar lazerin iç amplifikasyonuna odaklandılar. Tipik bir lazerde enerji katı ya da gaz bir ortama verilir ve burada yükseltilerek çok sayıda foton elde edilir. Bu fotonların salınımları, bir lazerin ayırt edici özelliği olan lasing fazı sırasında senkronize veya uyumludur. Kuantum sistemleri için geçerli olan daha geniş tanıma göre, enerjinin klasik bir kaynaktan tutarlı fotonlara dönüşümü bir tür dağılma olarak kabul edilir. Bu nedenle, enerjinin bir lazere pompalandığı mekanizma ve fotonların dışarı sızdığı süreç, birbiriyle rekabet eden iki dağılma kanalıdır.
Sızıntı amplifikasyonla aşılabildiğinde, sistem lase olur ve foton sayısı bir platoya ulaşana kadar artar.
Fonon lazeri Home ve ekibi tarafından iki iyonize atomun (kalsiyum ve berilyum) ortak titreşim hareketi kullanılarak geliştirilmiştir. Atomlar, elektrik alan tuzaklarında birbirine bağlı iki sarkaç gibi ileri geri salınabilir. Araştırmacılar, kuantum terimleriyle iki iyonlu sistemin salınım genliğini artırmak ya da azaltmakla eşdeğer olan fononları eklemek ya da çıkarmak için lazer ışığı kullandılar. Biri berilyum iyonuna fonon eklemek, diğeri de kalsiyum iyonundan fonon çıkarmak için iki ışın ayarlandı.
Home ve çalışma arkadaşları, iki lazer çifti sayesinde her bir dağılım kanalı üzerinde otonom kontrole sahipler. Lazer aydınlatmasına tepki olarak atomların nasıl floresanlaştığını gözlemleyerek, orada bulunan fononların sayısını ve türünü belirleyebildiler. Sistem, ekip iki dağılma kanalının ilgili güçlerini değiştirdikçe, fonon miktarının düşmediği bir fonon sızıntısı aşamasından bir lasing aşamasına geçişle ilerledi. Bu aşama, bilim insanlarının fononları tutarlı hallerinde gözlemlemelerini sağlayarak gerçek bir fonon lazeri inşa ettiklerini gösterdi.
Araştırmacılar, daha sıra dışı dağıtıcı sistemleri incelemelerine olanak tanıyacak yöntemleri gösterdiklerini ve sonuçların bir kuantum fonon lazerine yönelik beklentilerin ilk deneysel onayını temsil ettiğini iddia ediyor. Örneğin Home, kuantum algılama veya hesaplama için faydalı olabilecek, sıkıştırılmış lazer kuantum durumu üreten bir cihaz tasarlamak istiyor.
İspanya Ulusal Araştırma Konseyi’nde teorik kuantum fizikçisi olan Diego Porras’a göre deney “fantastik” ve ilk kez iki dağılım kanalına sahip bir kuantum sisteminin bu kadar yüksek düzeyde kontrol sergilediği gösterildi. Bir fonon lazerinin çok özel bir sistem gibi görünmesine rağmen, Avusturya’daki Innsbruck Üniversitesi’nde deneysel kuantum fizikçisi olan Tracy Northup, iyonlar arasındaki etkileşimi, hareketlerini ve dağılmayı anlamanın genel olarak birçok kuantum sistemine uygulanabilir olduğunu iddia ediyor. Ayrıca sonuçların bir başka avantajının da farkında. “Umarım bu [çalışma] iyonların harika olduğunu hatırlatır – sadece kuantum bilgisayarlar yaratmak için değil, aynı zamanda altta yatan eğlenceli fiziği gözlemlemek için gereken bu inanılmaz güzel kontrol için de.
Kaynak: physics.aps.org/articles/v16/130
