Fizikçiler Yeni Bir Işık Formu Oluşturdu

Hızlı bir deney yapın: İki tane el feneri alıp karanlık bir odaya girin ve fenerleri ışıkları çakışacak şekilde tutun. Sıra dışı bir şey fark ettiniz mi?

Oldukça heves kırıcı cevap şu ki muhtemelen hayır. Bunun sebebi ışığı oluşturan tek tek fotonların birbiri ile etkileşime girmemesi. Etkileşime girmek yerine sadece birbirlerinin yanından geçip gidiyorlar. Ama ya ışık parçacıkları karşılıklı etkileşime sokulabilseydi, sıradan maddedeki atomlar gibi birbirini itip çekebilseydi, o zaman ne olurdu?

Cezbedici de olsa bilim kurgu bir olasılık: ışın kılıçları – göz kamaştırıcı, masalsı yüzleşmelerin yolunu açacak, birbirini çekip itebilen ışık demetleri. Ya da daha gerçekçi bir senaryoya göre birleşip tek bir parlak akıma dönüşebilecek iki ışık demeti. Böylesi bir optik davranış, fizik kurallarını eğip bükmeği gerektirecekmiş gibi görünebilir, ama MIT, Harvard Üniversitesi ve birkaç başka yerdeki bilim insanları fotonların aslında birbiri ile etkileşime sokulabileceğini ispatladı. Bu başarı, ışın kılıçlarının değilse de, fotonları kuantum bilgisayar hesaplamalarında kullanmanın yolunu açabilir.

MIT’de Lester Wolfe Fizik Profesörü olan Vladan Vuletic ve Harvard Üniversitesi’nden profesör Mikhail Lukin tarafından yönetilen ekip, 15 Şubat 2018 tarihinde Science dergisinde yayımlanan bir makaleyle, birbiri ile etkileşime giren ve bu etki sonucu birbirine yapışarak tamamen yeni bir çeşit fotonik madde oluşturan üçlü foton grupları gözlemlediklerini bildirdi. Araştırmacılar, yürüttükleri kontrollü deneylerde, ultra soğuk rubidyum atomlarından oluşan yoğun bir buluta çok zayıf bir lazer demeti tuttuklarında, fotonların bulutu rastgele sıralanmış ve tek tek terk etmek yerine ikili ya da üçlüler halinde birbirine bağlanmış olarak terk ettiklerini buldu ki bu durum bir çeşit etkileşimi, bu özel durumda etkileşim birbirini çekmek şeklinde, işaret ediyor.

Normalde fotonların kütlesi yoktur ve saniyede 300.000 kilometre hızla (ışık hızı) hareket ederler, ancak araştırmacılar birbirine bağlanmış fotonların bir elektron kütlesinin küçük bir miktarı kadar kütle kazandığını buldu. Henüz yeni ağırlık kazanmış bu ışık parçacıkları aynı zamanda göreceli olarak tembeldiler, etkileşime girmeyen normal fotonlardan 100.000 kat daha yavaş hareket ediyorlardı. Vuletic, bu sonuçların, fotonların aslında birbirini çekebildiğini ya da birbirine dolanabildiğini gösterdiğini ifade etti. Eğer birbirleri ile başka şekillerde etkileşime girmeleri sağlanabilirse, çok yüksek hızlı ve inanılmaz karmaşık kuantum hesaplamaları için fotonlardan yararlanılabilir. Vuletic, tek tek fotonların karşılıklı etkileşiminin on yıllardır süregelen bir hayal olduğunu belirtiyor.

Vuletic’in ortak yazarları arasında; MIT’den Qi-Yung Liang, Sergio Cantu ve Travis Nicholson, Harvard’dan Lukin ve Aditya Venkatramani,  Maryland Üniversitesi’nden Michael Gullans ve Alexey Gorshkov, Princeton Üniversitesi’nden Jeff Thompson ve Chicago Üniversitesi’nden Cheng Ching yer alıyor.

Vuleric ve Lukin, MIT – Harvard Ultra Soğuk Atomlar Merkezi’nin başında ve birlikte fotonlar arası karşılıklı etkileşimi teşvik etmenin hem teorik hem pratik yollarını arıyorlardı. 2013’te çabalar karşılığını verdi ve ekip ilk kez foton çiftlerinin, maddenin tümüyle yeni bir formunu oluşturarak, etkileşime girdiğini ve birbirine bağlandığını gözlemledi. Ekip, yeni çalışmalarında etkileşimlerin sadece iki foton arasında değil daha fazla sayıda foton arasında olup olamayacağını araştırdı.

Vuletic durumu şöyle açıklıyor; “Örneğin oksijen moleküllerini O2 ve O3 (ozon) oluşturmak üzere bir araya getirebiliyorsunuz ancak O4 oluşturmak üzere bir araya getiremiyorsunuz ve bazı moleküller için üç parçacıklı bir molekül bile oluşturamıyorsunuz. Dolayısıyla şu tartışılabilir bir soruydu: daha büyük şeyler yapmak için bir moleküle daha fazla foton ekleyebilir misiniz?”

Ekip, sorunun cevabını bulmak için, iki fotonlu etkileşimleri gözlemlemek için kullandıkları deneysel yaklaşımın aynısını kullandı. Süreç, bir rubidyum atomları bulutunu ultra soğuk derecelere, mutlak sıfırın sadece milyonda bir derece üzerinde, soğutmakla başlıyor. Atomları soğutmak onları neredeyse durma noktasına kadar yavaşlatıyor. Araştırmacılar, daha sonra, bu hareketsiz atomlar bulutu üzerine çok zayıf, o kadar zayıf ki herhangi bir zamanda bulut içerisinden sadece birkaç foton geçiyor, bir lazer ışını gönderiyor. Daha sonra, araştırmacılar, fotonları bulutun diğer tarafından çıkınca ölçüyorlar. Araştırmacılar, yeni deneyde fotonların bulutu rastgele aralıklarla terk etmek yerine, tek tek fotonların birbirlerine etkisi olmadığından böyle olması gerekiyordu, ikili ya da üçlüler halinde terk ettiğini buldu.

Ekip, atom bulutundan geçmeden önce ve geçtikten sonra, fotonların sayısını ve hızını takip etmenin yanı sıra fotonların fazını da ölçtü. Bir fotonun fazı fotonun salınım (osilasyon) frekansını gösteriyor. Venkatramani şöyle açıklıyor; “Faz, size bunların ne kadar güçlü bir şekilde etkileşime girdiğini söylüyor, faz ne kadar büyükse o kadar güçlü bir şekilde birbirlerine tutunuyorlar.”

Ekip, üç fotonlu parçacıkların atom bulutundan eşanlı bir şekilde çıktıklarında, fotonların hiç etkileşime girmedikleri durumla karşılaştırıldığında fazlarının değiştiğini ve bu faz değişiminin iki fotonlu moleküllerdeki faz değişiminden üç kat büyük olduğunu gözlemledi.

Venkatramani; “Bu durum, fotonların sadece her birinin bağımsız olarak etkileşime girmediği, hep birlikte güçlü bir şekilde etkileşime girdikleri anlamına geliyor.” Daha sonra araştırmacılar, fotonların etkileşime girmesine neyin sebep olduğunu açıklamak için bir hipotez geliştirdiler. Fizik ilkelerine dayanan modelleri şu senaryoyu ileri sürüyor; Tek bir foton rubidyum atomları bulutunda ilerlerken diğer uca ulaşana dek, bir arının çiçekler arasında uçuşmasına benzer şekilde,  başka bir atoma sıçramadan önce kısa süreliğine yakın bir atoma konuyor. Eğer aynı anda bulut içerisinde başka bir foton da seyahat ediyorsa bu foton da bir rubidyum atomu üzerinde biraz zaman geçirebilir ve bu durum bir polariton – kısmen foton kısmen atom olan bir hibrid –oluşturur. Daha sonra iki polariton atomik bileşenleri vasıtasıyla birbirleri ile etkileşime girebilir. Bulutun kenarında, fotonlar hala birbirine bağlanmış şekilde buluttan çıkarken, atomlar oldukları yerde kalır. Araştırmacılar, aynı olayın, iki foton arasındaki etkileşimden daha güçlü bir bağ oluşturacak şekilde, üç fotonla da olabileceğini buldu. Vuletic; “Bu üçlülerin, foton çiftlerine nazaran daha az mı daha çok mu yoksa eşit derecede mi güçlü bağlanmış olacağı bilinmiyordu.”

Atom içerisindeki karşılıklı etkileşim saniyenin milyonda birinde oluşabilir ve fotonları, bulutu terk ettikten sonra bile bir arada tutan da bu etkileşim. Cantu; ”Fotonlar ortamdan geçtiklerinde, dışarı çıktıktan sonra, ortamda olan her şeyi ‘hatırlıyorlar’.” Bu şu anlama geliyor; birbiri ile etkileşime giren fotonların, mevcut örnekte aralarındaki çekim vasıtasıyla, birbirleri ile güçlü şekilde korelasyonu olduğu ya da birbirine dolaşık – herhangi bir kuantum hesaplama bitinin ana bir özelliği – olduğu düşünülebilir.

Vuletic; “Fotonlar, uzun mesafelerde çok hızlı hareket edebilirler ve insanlar optik liflerde (fiber optik) olduğu gibi ışığı bilgi aktarımı için kullanıyorlar. Fotonlar birbirini etkileyebiliyorsa o zaman eğer bu fotonları birbirine dolayabilirseniz, ki biz bunu yaptık, fotonları kuantum bilgisini ilginç ve kullanışlı bir şekilde dağıtmakta kullanabilirsiniz.”

Ekip, ileride, fotonların birbirini bilardo topları gibi etrafa dağıttığı, itme gibi başka etkileşimleri zorlamanın yollarını arayacak. Vuletic; “Bazen niteliksel olarak ne bekleyeceğimizi bilmememiz alışılmışın tamamen dışında. Fotonlar birbirini iterek bir ışık kristali gibi düzgün bir desen oluşturabilirler mi? Ya da başka bir şey mi olacak? Bu oldukça yeni bir deneyim.”

Yalçın Boysan

Kaynak: http://news.mit.edu/2018/physicists-create-new-form-light-0215

Matematiksel

Yazıyı Hazırlayan: Matematiksel

Bu yazı gönüllü yazarlarımız tarafından hazırlanmış veya sitemiz editörleri tarafından belirtilen kaynaktan aslına uygun kalınarak eklenmiştir.

Bunlara da Göz Atın

Makineler Düşünebilir mi?

Günümüzde akıllı yazılım ya da yapay zekâ diye adlandırılan birçok yazılım üretiliyor, birçoğu piyasaya sunuluyor. Bunlardan …

Bir Cevap Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

ga('send', 'pageview');