Elektromanyetik alanda tutulan eliptik bir nanopartikül kullanarak, dikkatlice ayarlanmış lazerler ve aynalar uygulayarak, neredeyse saf kuantum temel durumuna ulaşana kadar dönmesinden enerjiyi boşalttılar. Şaşırtıcı bir şekilde, parçacığın kendisi yüzlerce derece sıcak kaldı, ancak dönmesi kuantum terimleriyle “dondu”.
Kuantum Fiziğinin Sınırları Keşfediliyor
Kuantum etkilerini teknolojide kullanışlı hale getirmek için, araştırmacılar kuantum davranışının sadece atomlarda ve moleküllerde değil, bu küçük madde yapı taşlarından çok daha büyük nesnelerde de mümkün olup olmadığını belirlemelidir.
Bunun bir örneği, çapı yaklaşık yüz nanometre olan mikroskobik cam kürelerdir. Her bir küre, bir kum tanesinden bin kat daha küçük olmasına rağmen, kuantum dünyasında hala büyük kabul edilmektedir. Yıllardır bilim insanları, bu boyuttaki parçacıkların kuantum özelliklerini koruyup koruyamadığını bulmaya çalışıyor. ETH Zürih’teki bir ekip, TU Wien (Viyana) teorisyenleriyle birlikte çalışarak önemli bir keşif yaptı. Bu kürelerin dönme titreşimlerinin, yalnızca son derece karmaşık tekniklerle mutlak sıfıra yakın bir sıcaklığa soğutulduğunda değil, aynı zamanda normal oda sıcaklığında da kuantum fiziğinin kurallarına uyduğunu gösterdiler.
Titreşim Kuantumları
“Mikroskobik bir parçacık her zaman biraz titreşir,” diyor Carlos Gonzalez-Ballestero. “Bu salınım, sıcaklığa ve parçacığın çevresinden nasıl etkilendiğine bağlıdır.”
Günlük hayatta, her türlü salınım mümkün görünür. Örneğin, bir saatin sarkacı herhangi bir açıya sallanabilir ve istediğiniz gibi daha güçlü veya daha hafif salınımlar yapabilirsiniz. Kuantum dünyası ise farklı işler. Çok düşük enerjilerde, salınımlar “salınım kuantumları” olarak bilinen belirli, ayrık miktarlarda gerçekleşir.
“Temel durum” olarak adlandırılan en düşük titreşim vardır, bunu biraz daha fazla enerjiye sahip biraz daha yüksek bir titreşim (“birinci uyarılmış durum”) izler ve bu böyle devam eder. Bu seviyeler arasında başka durumlar yoktur, ancak bir parçacık, kuantum mekaniğinin temel ilkelerinden biri olan, birden fazla titreşim durumunun kuantum kombinasyonunu aynı anda işgal edebilir. Carlos Gonzalez-Ballestero, “Bir nanoparçacığı kuantum özelliklerinin belirginleştiği bir duruma getirmek çok zordur” diyor. “Parçacığı mümkün olduğunca herhangi bir etkileşimden izole etmek için onu yüzdürmek gerekir. Ayrıca normalde, mutlak sıfıra yakın, yani eksi 273,15 santigrat dereceye yakın son derece düşük sıcaklıklar sağlamak gerekir.”
Sıcak Parçacıklarda Kuantum Dönüşünü İzole Etmek
ETH Zürih ve TU Viyana, parçacığın kendisi sıcak ve düzensiz bir durumda olsa bile, nanoparçacığın çok özel bir özelliğini kuantum fiziksel durumuna getirebilen bir teknik geliştirdi.
Carlos Gonzalez-Ballestero, “Mükemmel yuvarlak değil, hafif eliptik bir nanoparçacık kullanıyoruz” diye açıklıyor. “Böyle bir parçacığı elektromanyetik alanda tuttuğunuzda, dönmeye başlar. Bizim sorumuz şuydu: Bu dönme titreşiminin kuantum özelliklerini görebilir miyiz? Bu dönme hareketinden, esas olarak kuantum temel durumunda olana kadar enerji elde edebilir miyiz?”
Bu amaçla lazer ışınları ve ayna sistemleri kullanıldı. Carlos Gonzalez-Ballestero, “Lazer, nanoparçacığa enerji sağlayabilir veya ondan enerji alabilir” diye açıklıyor. “Aynaları uygun şekilde ayarlayarak, enerjinin yüksek olasılıkla çıkarılmasını ve düşük olasılıkla eklenmesini sağlayabilirsiniz. Böylece dönme hareketinin enerjisi, kuantum temel durumuna yaklaşana kadar azalır.”
Ancak bunu başarmak için bir dizi zor teorik problem çözülmeliydi – lazerlerin kuantum gürültüsü doğru bir şekilde anlaşılmalı ve kontrol edilmeliydi.
Rekor Kıran Kuantum Saflığı
Sonunda, dönmenin neredeyse tamamen kuantum mekaniği temel durumuna karşılık gelen bir duruma getirilebileceği kanıtlanabildi. Bunun şaşırtıcı yanı, nanoparçacığın soğumamış olmasıdır – aksine, aslında birkaç yüz derece sıcaklıktadır.
Carlos Gonzalez-Ballestero, “Farklı serbestlik derecelerini ayrı ayrı ele almak gerekir” diye açıklıyor. “Bu, nanoparçacığın iç termal enerjisini azaltmak zorunda kalmadan dönme hareketinin enerjisini çok etkili bir şekilde azaltmayı sağlar. Şaşırtıcı bir şekilde, parçacığın kendisi yüksek sıcaklıkta olmasına rağmen, dönme hareketi adeta donabilir.”
Bu, benzer parçacıklarla daha önce mümkün olandan çok daha “saf” bir kuantum fiziği durumu yaratmayı mümkün kıldı – soğutma gerekmese bile. “Bu, kuantum fiziğinin sınırlarını zorlamanın teknik olarak şaşırtıcı derecede pratik bir yoludur,” diyor Carlos Gonzalez-Ballestero. “Artık nesnelerin kuantum özelliklerini istikrarlı ve güvenilir bir şekilde inceleyebiliyoruz, bu daha önce neredeyse imkansızdı.”
Haberi Derleyen: Elif Gül Türkmen – Eskişehir Teknik Üniversitesi – Fizik Bölümü Yüksek Lisans Öğrencisi
Kaynakça: scitechdaily.com/room-temperature-quantum-breakthrough-stuns-physicists/