ABD ve Sırbistan’da yapılan çalışmalar ile fizikçiler, tek bir foton kullanarak yaklaşık 3000 ultra soğuk atomun dolanık halini oluşturdular. Bu, şimdiye kadar laboratuvarda oluşturulan en yüksek sayı ve araştırmacılar bu teknik ile atomik saatlerin hassasiyetinin arttırılabileceğini düşünüyorlar.
Dolanıklık, iki veya daha fazla parçacığın, klasik mekaniğin izin verdiğinden daha fazla yakın ilişki sergilemesini sağlayan ve tamamıyla kuantum mekaniksel yasaları içeren bir olgudur. Dolanık parçacıkların bir özelliği de yer çekimi ve ışık gibi harici uyaranlara karşı çok hassas olmalarıdır. Bu nedenle de hassas kuantum sensörleri ve atomik saatlerin oluşturulması açısından kullanışlı olabilirler.
Yapılan bu son deneye kadar Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nden Vladan Vuletic ve çalışma arkadaşları ile Belgrad Üniversitesi’nden fizikçiler 100 atomun dolanık halini oluşturmayı başarmışlardı. Şimdilerde yapılan çalışmalarda ise Vuletic ve takımı 3100 tane atomun yaklaşık yüzde 94’ünü dolanık hale getirdiler.
Deney, optik bir boşluktan yararlanılarak oluşturuldu. Karşılıklı iki kusurlu ayna düzeneği kullanıldı ve 3100 tane Rubidyum-87 atomu mutlak sıfır sıcaklığına yakın bir sıcaklığa kadar soğutuldu. Ardından düzeneğe gönderilen ışık boşluğun bir tarafından parlamaya başladı ve iki ayna arasında ileri ve geri yansıması sağlandı. Işığın dedektör tarafından yakalandığı yerde, bir kısmı da karşı boşluktan kaçıp yoluna devam etti. Atomların spinlerini hizalamak için ışığın yol aldığı boşluk boyunca manyetik alan uygulandı. Ancak kuantum mekaniğinin doğasına göre spinlerin hepsi düzgün bir şekilde hizalanamaz ve manyetik alan içerisinde dalgalanmaya uğrarlar.
İlk Denemeler
Spinlerin bu dalgalanmaları ilk olarak polarize ışığın boşluk içine atım (puls) şeklinde gönderilmesiyle gözlendi. Atımlar, atomların spinleriyle etkileşir ve küçük değişiklikler veya polarizasyonundaki rotasyonlar sonucu boşluktan çıkarlar. Bu rotasyonlar aynı zamanda gazın atomik spin yönünün toplam bir ölçüsü ve manyetik alandaki davranışının göreceli bir yorumunu verir. Bu ölçümlerin birkaç kez tekrarlanması ile araştırmacılar, gazın toplam atomik spininin, uygulanan manyetik alanın yönünü merkez alarak bir disk şeklinde Gauss dağılımı gösterdiğini saptamıştır. Bu gösterim, aynı zamanda Breit-Wigner dağılımı olarak bilinen ve kuantum mekaniği yasalarıyla sistemin toplam spin dalgalanmalarının nasıl belirlenebileceğini gösteren bir uygulama olarak bilinir (Nükleer fizikte, parçacık fiziğinde ve kuantum mekaniğinde, bir rezonansın enerji profili rölativistik Breit-Wigner dağılımı ile belirtilir.) Ancak Gauss dağılımı esasında, atomik spinlerin birbirinden bağımsız olarak davranması ve dolanık olmaması durumunu içerir. Bu nedenle araştırmacılar için asıl zorluk, atomları Wigner fonksiyonu ile uyumlu, aynı zamanda Gauss dağılımı ile uyuşmayacak şekilde hazırlamaktır. Bunu yapmak için de boşluğun içerisine son derece zayıf polarize lazer atmaları göndermek gerekiyor. Ara sıra atmadaki tek bir foton ileri geri salınarak bütün atomik spin gruplarıyla etkileşebilir. İşte bu etkileşimin ardışık bir şekilde devam etmesi durumu, atomların dolanıklığını meydana getirir.
Dolanıklığın Habercisi
Etkileşime giren foton, daha sonra boşluktan çıkıp tespit edilebilir. Bu tür dolanık fotonlar ayırt edilip tanımlanabilirler. Çünkü atomik etkileşmeleri sonucu, polarizasyonları 90 derece döndürülmüş hale gelir. Dolayısıyla böyle bir “haberci” fotonun tespit edimesi ile fizikçiler, hemen atomik spin sisteminin yönünü belirlemeye koyulurlar. Dolanık atomların Wigner fonksiyonunu sağlayıp sağlamadığını belirlemek içinse bu işlem defalarca tekrarlanır. Gauss diski yerine bu oluşum, iç bölgedeki negatif olasılıkları çevreleyen pozitif olasılıklardan oluşan bir halkaya da benzetilebilir.
Vuletic’e göre bu negatif olasılık bölgesi dolanıklığın esas kaynağıdır. Araştırmacılar dolanık olduğunu düşündükleri 3100 tane atomun 2910 tanesini hesaplamayı başardılar. Bu deneyde atomik spinler negatif olasılık bölgesinin iki zıt kutbundan birinde konumlanabilirler. Vuletic bu araştırmanın çok önemli pratik uygulamaları olabileceğini düşünüyor. Çünkü Wigner fonksiyonu aslında kuantum mekaniği belirsizliklerinin bir ölçüsüdür. Daha fazla sayıda atomun dolanık hâle getirilmesi ile kuantum ölçüm hassasiyetleri geliştirilebilir. Vuletic şimdi ekibiyle birlikte daha hassas atom saati oluşturmak için dolanıklık tekniği üzerinde çalıştıklarını belirtti.
Tuğba Yaşar
Marmara Üniversitesi Fizik Bölümü
Kuark Bilim Topluluğu Popüler Bilim Yayın Grubu
Kaynaklar:
- http://physicsworld.com/cws/article/news/2015/mar/25/how-to-entangle-nearly-3000-atoms-using-a-single-photon
- https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_entanglement
- https://tr.wikipedia.org/wiki/Cauchy_da%C4%9F%C4%B1l%C4%B1m%C4%B1
Image: Vladan Vuletí