Daha önce duyulmamış uzamsal çözünürlüğe sahip bir manyetometre, araştırmacılar tarafından başlangıçta kuantum bellek için tasarlanan bir atom dizisi kullanılarak geliştirildi.
Kuantum bellekler ve kuantum bilgisayarlar için uygun seçenekler olmanın yanı sıra, ultra soğuk atomların iki boyutlu dizileri, manyetik alanlar gibi diğer fenomenleri tanımlamak için sensör olarak kullanılabilir. Uzaysal çözünürlük açısından klasik cihazlardan daha iyi performans gösteren bir atom dizisi manyetometresi, kısa süre önce Almanya’daki Darmstadt Teknik Üniversitesi’nden bir ekip tarafından ilk kez gösterildi. Ekip lideri Gerhard Birkl, elde edilen sonucu geçtiğimiz ay İspanya’da düzenlenen Atomtronics Konferansı’nda açıkladı.
Fizikte gelişmekte olan atomtronik disiplininin amacı, elektronların geleneksel elektronikte kullanılmasına benzer şekilde atomları kullanmaktır. Kelime özellikle atomların lazerler tarafından belirlenen rotalar boyunca hareket ettiği devreleri tanımlamak için kullanılsa da, sıklıkla atomların ışık kullanılarak manipüle edilmesini içeren çeşitli teknolojileri tanımlamak için kullanılır.
Bu yeni çalışma aslında lazer soğutma ve lazer hapsetmeye dayalı bir deney düzeneği kullanıyor. Birkl şöyle diyor: “Tek rubidyum atomlarını soğutmak ve iki boyutlu diziler halinde düzenlemek için ışık kullanabiliyoruz.” Diğer kuantum teknolojilerinin aksine, 1997 Nobel Fizik Ödülü ile onurlandırılan ve yaygın olarak kullanılan bu yöntemler sofistike bir kriyojenik altyapı gerektirmiyor.
Birkl ve arkadaşları, rubidyum atomlarını laboratuvarlarında 0,2 mm genişliğinde, kare şeklinde bir diziye hapsediyor. Optik cımbız işlevi gören ekstra bir lazer aracılığıyla her bir atomu manipüle edebiliyorlar. Birkl, “İstediğimiz herhangi bir atom modelini oluşturabiliyoruz” diyor. Şimdiye kadar dizilerinde birkaç mikron aralıkla yaklaşık 1300 atomu düzenleyebildiler. Birkl, konseptin bir milyon veya daha fazla atoma kadar ölçeklendirilebileceğini iddia ediyor.
Bu sistemdeki her atom, bir kübitin iki potansiyel durumuna karşılık gelen iki iç durumdan birinde olabileceğinden, bir kuantum bellek olarak kullanılabilir.
Atomları, aralarında etkileşime izin veren Rydberg durumlarına uyararak, sistem kuantum hesaplamaları da gerçekleştirebilir. Bununla birlikte, Birkl ve arkadaşları İspanya’da sergilenen çalışmalarında farklı bir yolu araştırdılar: kuantum algılama. Plan, sistemi uzamsal olarak dalgalanan ancak zaman içinde sabit kalan bir test manyetik alanına tabi tutmaktır. Dizideki her atom bağımsız bir sensör olarak işlev gördüğünden, sistem bu değişkenlikleri araştırabilir. Birkl, “Bu, manyetik alanlar için bir CCD kameraya sahip olmak gibi bir şey” diyor. Bu kameranın piksel boyutu 7 µm, çünkü dizideki atomların birbirinden uzaklığı bu kadar.
Araştırmacılar cihazı her atom toprak halindeyken çalıştırmaya başladılar. Daha sonra manyetik alan açıldı. Atomların temel durumunun iki enerji seviyesi, bu dış alanın varlığı nedeniyle 12 farklı seviyeye bölündü. Enerji bölünmesinin derecesi manyetik alanın yoğunluğuna bağlıdır ve atomik saatlere benzer bir ölçüm metodolojisi kullanılarak yüksek çözünürlüklü spektroskopi ile araştırılabilir.
Grup bu yöntemle alan değişimlerini 100 nanotesla hassasiyetle ve mikrometre çözünürlükte ölçebildi. Tahminlerine göre, gözlemlenebilir en küçük alan yaklaşık olarak Dünya’nın manyetik alanına eşittir veya ölçüm süresinin saniyesi başına 25 mikrotesla’dır.
Birkl, planın henüz gelişiminin ilk aşamalarında olduğunu belirtmesine rağmen, bu hassasiyet nispeten düşüktür. Araştırmacılar, deneyin ayarlarında ince ayar yaparak hassasiyeti ölçüm süresinin saniyesi başına 1 picotesla’ya çıkarabilecekleri konusunda iyimserler. Bu tür bir optimizasyona sahip bir cihaz, yerel asimetrilere sahip bazı yüksek sıcaklık süperiletkenlerini çevreleyen manyetik alanları taramak için kullanılabilir.
Ancak manyetometri dışında başka olası kullanım alanları da var. Birkl şöyle devam ediyor: “Sensör-ızgara platformumuzu radyo frekans dalgalarını, elektrik alanlarını ve muhtemelen yerçekimi alanlarını araştırmak için genişletebiliriz.” Biyoloji ve malzeme bilimi de dahil olmak üzere yüksek hassasiyet ve yüksek uzamsal çözünürlük gerektiren uygulamalar bundan faydalanabilir. Çalışmada yer almayan İngiltere’deki St Andrews Üniversitesi’nden soğuk atom uzmanı Donatella Cassettari, “bu deneyin kuantum sensörleri alanında önemli bir gelişme olduğunu” söylüyor. “Atomik durum manipülasyonunun son derece karmaşık yöntemlerine dayanıyor olsa da, güvenilir ve yaygın olarak uygulanan bir sensör haline gelme potansiyeline sahiptir.”
