Kuantum zaman ölçümü alanında tarihi bir atılım yaşandı. Bilim insanları, maddenin en temel düzeyinde, bir kuantum olayının içindeki zamanı, geleneksel bir saat kullanmadan ölçmenin bir yolunu keşfetti. Bu “saatsiz” devrim, sadece kuantum fiziğinin temellerini anlamamızı değil, kuantum bilgisayarlardan ileri malzemelere kadar yeni nesil teknolojilerin gelişimini de kökten değiştirme potansiyeli taşıyor.
Saatsiz Bir Devrim: Kuantum Zaman Ölçümünün Önündeki Engel
Profesör Hugo Dil, “Zaman kavramı binlerce yıldır filozofları ve fizikçileri meşgul etti ve kuantum mekaniğinin ortaya çıkması sorunu basitleştirmedi. Temel sorun, kuantum mekaniğinde zamanın rolü ve özellikle bir kuantum geçişiyle ilişkili zaman ölçeğidir.”
İşte bu kuantum zaman ölçümü sorununu çözmek, attosaniye gibi akıl almaz derecede kısa sürelerle uğraşmayı gerektirir. Bir attosaniye, saniyenin milyar kere milyarda biridir (10⁻¹⁸ saniye). Bu, ışığın küçük bir virüsün genişliğini geçemeyeceği kadar kısadır.
Kuantum Zaman Ölçümünde Devrim Yaratan Yöntem
EPFL’den Dil ve meslektaşları, dışarıdan bir saate ihtiyaç duymayan devrim niteliğinde bir kuantum ölçüm yöntemi geliştirdi. Yöntem, bir elektronun foton emdiğinde ve bir malzemeden yayıldığında, spin adı verilen özelliğinde taşıdığı ince bilgilere dayanıyor. Bu spin, kuantum geçişinin nasıl geliştiğine dair bir zaman damgası gibi davranır.
Fei Guo, “Bu deneyler harici bir referans veya saat gerektirmez” diyerek, bu saatsiz ölçüm tekniğinin özgünlüğünü vurguluyor.
Kuantum Girişim Süreyi Nasıl Ortaya Çıkarır?
Işık bir elektronu uyardığında, klasik bir makinedeki gibi tek ve kesin bir rota izlemez. Kuantum dünyasında, elektron aynı anda birden fazla olası yol veya “kuantum yolu” aynı anda deneyimler.
Bu yollar kuantum girişime uğrar. Tıpkı bir havuzdaki iki dalganın çarpışıp güçlendiği veya birbirini sönümlediği gibi, bu kuantum yolları da birleşir ve ya birbirlerini güçlendirir ya da zayıflatır. Bu girişimin sonucu, elektronun enerjisini alıp fırladığında taşıdığı spin yöneliminde kendini gösteren karmaşık ve benzersiz bir desen olarak ortaya çıkar.
Bu spin deseni, araştırmacılar için bir tür doğal saat kadranı gibidir. İçinde, elektronun her bir olası yolda geçirdiği süreye dair kodlanmış bilgi vardır. Spin- ve Açı Çözünürlüklü Fotoemisyon Spektroskopisi (SARPES) adlı ileri teknikle bu deseni okuyan bilim insanları, artık harici bir saate ihtiyaç duymadan, doğrudan bu girişim modelini çözümleyebilir. Desendeki ince değişiklikleri analiz ederek, tüm bu olası yolların ortalama süresini, yani kuantum geçişinin gerçek zaman ölçeğini attosaniye hassasiyetiyle hesaplayabilirler.
Malzeme Yapısı, Kuantum Zaman Ölçümünü Doğrudan Etkiliyor
Araştırma, bir malzemenin atomik düzeninin kuantum geçişinin hızı üzerinde belirleyici bir rol oynadığını net bir şekilde ortaya koydu. Geçiş süresi, malzemenin simetri derecesine ve yapısal karmaşıklığına doğrudan bağlı olarak farklı sonuçlar vermekte.
- Tamamen üç boyutlu ve yüksek simetriye sahip yapılar (örneğin, bakır kristali) en hızlı geçişlere ev sahipliği yapıyor. Bu malzemelerde, bir elektronun foton emdikten sonra yüksek enerji durumuna geçişi yalnızca ~26 attosaniye sürüyor. Bu, kuantum dünyasındaki inanılmaz hıza bir ölçüt.
- Titanyum diselenür (TiSe₂) gibi zayıf bağlı atomik katmanlardan oluşan malzemelerde geçiş süresi belirgin şekilde uzuyor. Bu “düzlemsel” veya 2 boyutlu yapılarda süre 140-175 attosaniye aralığına çıkıyor. Atomların düzenindeki bu fark, elektronik davranışı ve zaman ölçeğini önemli ölçüde değiştiriyor.
- Bakır tellürür (CuTe) gibi atomların tek boyutlu zincirler oluşturduğu malzemeler ise en yavaş geçişlere sahne oluyor. Bu basit ve düşük simetrili yapılarda kuantum geçiş süresi 200 attosaniyeyi aşıyor.
Sonuçlara göre, Malzemenin atomik yapısı ne kadar düşük boyutlu, basit ve simetriden uzaksa, içinde gerçekleşen kuantum geçişleri de o kadar uzun sürüyor.
Teknoloji ve Bilim İçin Yeni Çağ
Dil, “Çalışmamız, fotoemisyon sürecindeki zaman gecikmesini belirleyen şeyin ne olduğunu anlamak için temel bilgi sağlamanın yanı sıra, kuantum seviyesinde zamanı hangi faktörlerin etkilediğine, kuantum geçişlerinin hangi ölçüde anlık sayılabileceğine dair daha fazla içgörü sunuyor ve kuantum mekaniğinde zamanın rolünü nihayet anlamanın yolunu açabilir” diyor.
Derin bir bilimsel soruyu ele almanın ötesinde, bulgular araştırmacılara elektronların karmaşık malzemelerde nasıl davrandığını keşfetmek için yeni bir araç veriyor. Bir kuantum geçişinin tam olarak ne kadar sürdüğünü bilmek, fizikçilerin belirli kuantum özelliklerine sahip malzemeleri tasarlamasına ve kuantum durumlarının kesin kontrolüne bağlı gelecek teknolojileri desteklemesine yardımcı olabilir.
Kaynakça:
- https://scitechdaily.com/physicists-measure-time-inside-quantum-events-without-a-clock/
- https://arxiv.org/pdf/2506.01476
Haberi Derleyen: Emir Kantar – Mimar Sinan Güzel Sanatlar Üniversitesi – Fizik
