Kuantum fiziğinin en önemli keşiflerinden biri, parçacıkların aynı anda birkaç yörünge boyunca dalgalar halinde yayılabilmesidir. Nötron interferometresi özellikle çarpıcı bir örnektir. Nötronlar bir kristale ateşlendiğinde, nötron dalgası iki parçaya bölünür ve ardından bir kez daha üst üste bindirilir. Maddenin dalga özelliği taşıdığını gösteren belirgin bir girişim deseni görmek mümkündür.
Uzun yıllar boyunca, bu tür nötron interferometreleri, temel fizik ve hassas ölçümler araştırmaları için çok önemli referans kaynakları olmuştur. Bununla birlikte, yalnızca tek bir kristal parçasından ibaret olduklarından ve işlev gördükleri için boyutları şimdiye kadar sınırlandırılmıştır. Başarısız olmasına rağmen, 1990’lardan beri iki farklı kristalden inşa edilen interferometreler de denenmiştir. Şimdi başarılı bir girişimi sizlerle paylaşalım. Yapılan girişimde TU Wien, INRIM Turin ve ILL Grenoble’dan bir ekip tarafından kristal hizalama için yüksek hassasiyetli bir uç-eğimli platform kullanan bir ekip tarafından gerçekleştirilmiştir. Bu, yerçekimi alanlarındaki kuantum etkilerinin doğasına ilişkin araştırmalar gibi kuantum ölçümleri için çok çeşitli yepyeni fırsatlarda açmaktadır.
İlk nötron interferometri deneyleri 1974’te Viyana Teknik Üniversitesi Atom Enstitüsü’nde uzun süredir profesör olan Helmut Rauch tarafından bir silikon kristalinden yapıldı. Viyana TRIGA reaktöründe ilk nötron girişimini görebildi. Birkaç yıl sonra, TU Wien, Grenoble’ın en güçlü nötron kaynağı olan Institut Laue-Langevin’e (ILL) S18 kalıcı interferometri istasyonunu kurdu. Mevcut yapılandırma hala kullanımda.
Hartmut Lemmel, “İnterferometrenin mekanizması, bir parçacığın çift yarıktan dalga benzeri bir şekilde fırlatıldığı, her iki yarıktan aynı anda bir dalga olarak geçtiği ve sonra kendi üzerine bindiği ünlü çift yarık deneyi ile karşılaştırılabilir” diyor.
Nötron interferometresi, parçacıkları aralarında birkaç santimetre olacak şekilde iki ayrı yola ayırırken, çift yarık deneyinde iki yarık arasında yalnızca küçük bir mesafe vardır. Parçacık dalgası makroskopik boyuta büyür, ancak iki yörüngeyi üst üste bindirerek, parçacığın birini seçmek yerine her iki yolu da aynı anda kullandığını fazlasıyla gösteren bir dalga modeli üretilir.
Bununla birlikte, bu monolitik mimari, herhangi bir boyutta kristal yapmanın imkansızlığı ile sınırlıdır. “Sonuç olarak, Lemmel’e göre, 1990’larda birbirinden daha uzağa yerleştirilebilecek iki kristalden oluşan nötron interferometreleri inşa etme girişimleri başarısız oldu. İki kristal gerektiği gibi birbirine tam olarak hizalanmadı.”
Girişim deseni, bir atom interferometrenin kristallerinden birini hareket ettirdiğinde tam bir periyot boyunca değişir. Kristallerden biri bir derecenin yaklaşık 100 milyonda biri kadar bir açıyla döndürülürse girişim deseni bozulur. Gerekli açısal doğruluk, Viyana’dan Grenoble’a 900 kilometre uzaklıktaki bir parçacığı patlatarak ve bir toplu iğne ucuna veya aydaki bir tahliye kapağına nişan almaya eşdeğerdir.
Temel teknolojiler, uzun süredir kombine optik ve X-ışını interferometrisi alanında lider olan Torino’daki Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) tarafından sağlandı. Hassasiyet açısından benzer şekilde, taramalı X-ışını interferometreleri de farklı silikon kristallerinden yapılmıştır. Torino’da, silikonun kafes sabitini daha önce duyulmamış bir hassasiyetle belirlemek için bir kristalin uzamsal yer değiştirmeye duyarlılığından yararlanıldı. Bu bulgu, Avogadro ve Planck sabitlerini hesaplamayı, makroskopik silikon küredeki atomları saymayı ve kilogramı yeniden tanımlamayı mümkün kılıyor.
INRIM’den Enrico Massa, “Ayrı kristal X-ışını interferometreleriyle çalışan şey, gerekli doğruluk nötronlar için daha da katı olsa da, aynı şekilde ayrı kristal nötron interferometreleriyle çalışmalıdır. Ortaklık, sonuçta bir sistemdeki nötron girişimini tespit etmede başarılı olmuştur. Ekstra yerleşik lazer interferometre, titreşim sönümleme, sıcaklık kararlılığı ve INRIM’in kristallerin yapısı ve hizalaması üzerindeki denetimi sayesinde iki farklı kristalden oluşur.
ILL’den Michael Jentschel’e göre, nötron interferometrisi son yıllarda önemli adımlar attı. “Çünkü iki kristali interferometrinin elde edilebileceği kadar iyi kontrol edebiliyorsanız, mesafeyi kolayca uzatabilir ve tüm sistemin boyutunu büyütebilirsiniz.”
Bu toplam boyut, birçok deneyin herhangi bir şeyi doğru bir şekilde ölçme yeteneğini etkiler. Daha önce duyulmamış bir hassasiyetle, nötronların kuantum alemindeki varsayımsal yeni kuvvetlere ve yerçekimine ne kadar duyarlı olduğu gibi temel etkileşimleri incelemek mümkün olacak.
Kaynak: Physorg
