Nobel Ödülü Optik Cımbız Evrenin Nasıl İşlediğine dair Yeni İpuçları Açtı

Küçük cisimleri yakalayabilen odaklanmış bir lazer ışını olan optik cımbızın şimdiye kadar eski bir şapka olduğu düşünülebilir. Ne de olsa, cımbız 1970 yılında Arthur Ashkin tarafından icat edildi. Muhtemelen son yarım asır boyunca ana etkileri ortaya çıktıktan sonra, bu yıl Nobel Ödülü'nü aldı.

Şaşırtıcı, bu doğru olmaktan uzak. Optik cımbız, bilim adamlarının kuantum mekaniğini, doğayı atom altı parçacıklar açısından açıklayan teoriyi anlamalarına yardımcı olurken yeni yetenekler ortaya koyuyor.

Bu teori bazı garip ve karşı-sezgisel sonuçlara yol açmıştır. Bunlardan biri, kuantum mekaniğinin, tek bir nesnenin aynı anda iki farklı gerçeklik durumunda var olmasına izin vermesidir. Örneğin, kuantum fiziği, Schrödinger'in kedisinin ünlü düşünce deneyinde olduğu gibi, bir bedenin aynı anda uzayda iki farklı yerde bulunmasına izin verir - veya hem ölü hem de canlı.

Bu fenomenin teknik ismi süperpozisyondur. Tek atomlar gibi küçük nesneler için süperpozisyonlar gözlenmiştir. Fakat açıkça, günlük yaşamlarımızda asla bir süperpozisyon görmüyoruz. Örneğin, aynı anda iki yerde bir fincan kahve görmüyoruz.

Bu gözlemi açıklamak için, teorik fizikçiler, büyük nesneler için - yaklaşık bir milyar atom içeren nanoparçacıklar için bile), varsayımların, standart kuantum mekaniğinin parçalanmasından dolayı, iki olasılıktan birine veya diğerine hızlı bir şekilde çökmesini önerdiler. Daha büyük nesneler için çöküş oranı daha hızlıdır. Schrodinger’in kedisi için bu çöküş - “canlı” ya da “ölü” - hemen hemen aynı anda bir kedinin iki durumda olduğunu asla aynı anda göremediğimizi açıklar.

Yakın zamana kadar, ders kitabı kuantum mekaniğinin değiştirilmesini gerektiren bu “çöküş teorileri”, bir üst üste büyük bir nesne hazırlamak zor olduğundan, test edilemedi. Bunun nedeni, daha büyük nesnelerin çevreleriyle atomlardan veya atom altı parçacıklardan ziyade etkileşime girmesidir; bu, kuantum hallerini yok eden sıcaklıkta sızıntılara neden olur.

Fizikçiler olarak, çöküş teorileri ile ilgileniyoruz çünkü kuantum fiziğini daha iyi anlamak istiyoruz ve özellikle çöküşün yerçekimsel etkilerinden kaynaklanabileceği teorik göstergeler olduğu için. Kuantum fiziği ve yerçekimi arasındaki bir bağlantı, tüm fizik bu iki teoriye dayandığından ve buradaki herşeyin teorisi olan modern tanımlamanın en büyük amaçlarından biri olan bütünleşik tanımları olan heyecan verici olacaktır.

Optik Cımbız Girin

Optik cımbız, ışığın maddeye baskı uygulayabilmesi gerçeğinden yararlanır. Yoğun bir lazer ışınının bile radyasyon basıncı oldukça küçük olsa da, Ashkin bir nanoparçacık, yerçekimine karşı koymak ve etkili bir şekilde onu kaldıracak kadar büyük olduğunu gösteren ilk insandı.

2010 yılında bir grup araştırmacı, bir optik cımbız tarafından tutulan böyle bir nanoparçacık, herhangi bir maddi destekle temas halinde olmadığı için çevresinden iyi bir şekilde izole edildiğini fark etti. Bu fikirleri takiben, birkaç grup bir nanopartikülün süperpozisyonlarını oluşturmak için iki farklı mekansal konumda yollar önerdi.

2013 yılında Tongcang Li ve Lu Ming Duan grupları tarafından önerilen ilgi çekici bir şema, bir cımbızda bir nano elmas kristalini içeriyordu. Nanoparçacık, cımbız içinde hala oturmuyor. Aksine, iki konum arasında bir sarkaç gibi salınır, geri yükleme kuvveti lazer nedeniyle radyasyon basıncından gelir. Ayrıca, bu elmas nanokristal, bir kuzey (N) kutbu ve bir güney (S) kutbu ile küçük bir mıknatıs olarak düşünülebilecek kirletici bir azot atomu içerir.

Li-Duan stratejisi üç adımdan oluşuyordu. İlk önce, nanoparçacık hareketini kuantum temel durumuna soğutmayı önerdiler. Bu, bu tür bir parçacığın sahip olabileceği en düşük enerji halidir. Bu durumda partikülün hareket etmeyi bırakmasını ve hiç salınmamasını bekleyebiliriz. Ancak, bu olsaydı, partikülün nerede olduğunu (cımbızın merkezinde) ve ne kadar hızlı hareket ettiğini (hiç değil) bilirdik. Ancak, hem Heisenberg'in hem de kuantum fiziğinin belirsizlik prensibi tarafından hem konum hem de hız hakkında eşzamanlı mükemmel bilgiye izin verilmemektedir. Böylece, en düşük enerji durumunda bile, parçacık kuantum mekaniğinin yasalarını yerine getirmek için yeterli bir miktar hareket eder.

İkincisi, Li ve Duan şeması manyetik azot atomunun kuzey kutbunun bir üst kısmında aşağı yukarı yukarı bakacak şekilde hazırlanmasını gerektiriyordu.

Son olarak, nitrojen atomunu havalandırılmış elmas kristalinin hareketine bağlamak için manyetik bir alana ihtiyaç duyuldu. Bu, atomun manyetik süperpozisyonunu nanokristalin konum süperpozisyonuna transfer eder. Bu transfer, atom ve nanoparçacıkın manyetik alan tarafından dolaştırılmasıyla sağlanır. Aynı şekilde, çürümüş ve çürmemiş radyoaktif numunenin süperpozisyonunun, Schrodinger'in kedisinin ölü ve diri haldeki süperpozisyonuna dönüştürülmesiyle aynı şekilde oluşur.

Çöküş Teorisini Kanıtlamak

Bu teorik çalışma dişlerini veren iki heyecan verici deneysel gelişme idi. Zaten 2012'de Lukas Novotny ve Romain Quidant grupları, optik olarak havaya kaldırılmış bir nanoparçacık, optik cımbız yoğunluğunu modüle ederek, mutlak sıfırın üstündeki bir dereceye kadar - teorik olarak mümkün olan en düşük sıcaklıkta - soğutmanın mümkün olduğunu gösterdi. Etki, doğru zamanlarda iterek bir çocuğu salıncakta yavaşlatma etkisi ile aynıydı.

2016'da aynı araştırmacılar, mutlak sıfırın üzerinde bir on binde bir dereceye kadar serinleyebildiler. Bu süre zarfında gruplarımız, bir cımbız nanoparçacının kuantum toprak durumuna ulaşmak için gereken sıcaklığın mutlak sıfırın üzerinde bir derecenin milyonda biri olduğunu belirten bir makale yayınladı. Bu gereklilik zordur, ancak devam eden deneylere ulaşılabilir.

İkinci heyecan verici gelişme, Nick Vamivakas’ın grubundaki 2014 yılında azot kusurlu bir nano elmasın deneysel olarak kaldırılmasıydı. Manyetik bir alan kullanarak, azot atomunun fiziksel eşleştirmesini ve Li-Duan şemasının üçüncü basamağının gerektirdiği kristal hareketini de başardılar.

Irk şu an zemin seviyesine ulaşmaya başladı, böylece - Li-Duan planına göre, iki noktadaki bir cisim tek bir varlığa çökmekte gözlendi. Süperpozisyonlar çöküş teorileri tarafından öngörülen oranda tahrip edilirse, bildiğimiz kadarıyla kuantum mekaniği revize edilmek zorunda kalacak.

Bu makale, The Mishvers Bhattacharya ve Nick Vamivakas tarafından The Talk'ta yayınlandı. Orijinal makaleyi buradan okuyun.