Fizikçiler Işığın Yeni Bir Formunu Oluşturdular: Işık Molekülleri

Massachusetts Teknoloji Enstitüsü (MIT) ve Harvard Üniversitesi’nden bilim insanları tarafından gözlenen yeni optik hâl fotonlarla kuantum hesaplamaya olanak tanıyabilir.

Işığı oluşturan atom altı parçacıklar olan fotonları bir düşünelim. Bildiğimiz kadarıyla atom altı parçacıkların en hızlısı, kütlesizdirler ve birbirleri ile etkileşmiyorlar. Bu özellikleri ile birlikte bir deneyi göz önüne alalım, karanlık bir odada iki el fenerini birbirlerine doğru tutalım ve onlardan çıkan ışık demeti birbirleri ile kesişsin. Tuhaf bir şey olur muydu? Şimdiye kadar, doğal olarak, tuhaf sayılabilecek bir şey gözlenmemiştir. Çünkü fotonlar birbirleri ile etkileşmezler. Peki, birbiri ile etkileşebilen fotonlar oluşturulabilseydi, ne olurdu?

Yani, fotonların bir kütlesinin olmasından söz ediyoruz. Bu kütleli fotonların hızı azalacaktı ve maddedeki atomlarla birbirlerini çekerek ve iterek etkileşeceklerdi. Peki, biz bunu daha önce nerede görmüştük? Hatırlayın, Yıldız Savaşları’nda ışın kılıçları ile eski zamanlara ait kılıç savaşları modern bir sahnede sergileniyordu. Bu göz kamaştırıcı sahnelerde, ışık demetleri birbirlerini çekebiliyor ve itebiliyor. Bu kadar abartıya gerek olmadığını düşünüyorsanız, basitleştirelim, karanlık bir odada birbirine yönelmiş iki el fenerinden çıkan ışık demeti bir araya gelebilir ve tek, parlak bir ışık akımı olarak birleşebilirdi.

Bu tür optik davranışların fizik kurallarını zorlaması gerekir gibi görünüyor olabilir ama MIT ve Harvard Üniversitesi’nden bilim insanları Science dergisinde birkaç hafta kadar önce yayınladıkları bir çalışmada fotonların gerçekten de birbirleri ile etkileşime sokulabileceklerini gösterdiler. Bu çalışmada, üç foton grubunun etkileşime girdiği ve bunun sonucunda, tamamen yeni bir fotonik madde oluşturmak için birbirlerine yapıştıkları gözlendi.

Kontrollü deneylerde, araştırmacılar ultrasoğuk rubidyum atomlarından oluşan yoğun bir bulut boyunca çok zayıf bir laser demetini geçirdiklerinde buluttan tek, rastgele aralıklı fotonların çıkması yerine üçlü veya ikili gruplar hâlinde birbirine bağlı fotonların çıktığı bulundu. Bu ise, onların kendi aralarında bir etkileşime uğradığını gösteriyor. Bir araya gelerek gruplar hâlinde etkileşmeleri, etkileşmenin türünün “çekme” olduğuna işaret ediyor.

Araştırmayı gerçekleştiren grubun liderliğini yapan MIT Fizik Bölümü’nden Prof. Vladan Vuletic ve çalışma arkadaşları aslında uzun zamandır bu hayalin peşindeler. Fotonlar arasındaki etkileşmeyi öne çıkarabilme yolunda örneğin 2013 yılında foton çiftlerinin etkileştiğini ve birbirlerine bağlandıklarını ilk defa gözlemleyen araştırma grubu olmuşlardı. Şimdi ise daha fazlasını yaptılar, örneğin oksijeni  O₂ ve O₃ (ozon) moleküllerini oluşturmak için birleştirebilirsiniz ama O₄ için bu olmaz ve bazı moleküller için onların atomlarını üçlü grup hâline bile getiremezsiniz. Peki fotonlar için şunu sorabilir miyiz: Daha büyük ve daha büyük şeyler yapmak için bir moleküle daha fazla foton ekleyebilir misiniz?

Vuletic’in bu sorusuna cevap bulabilmek için araştırmacılar aynı deneysel yaklaşımı iki foton etkileşmesini gözlemlemek için kullandılar. Bu süreç rubidyum atomlarından oluşan bir bulutun mutlak sıcaklığın üzerindeki bir derecenin sadece milyonda biri kadar olan ultrasoğuk sıcaklıklara soğutulmasıyla başlar. Soğutulan atomlar yavaşlar ve durma noktasına kadar gelirler. Araştırmacılar bu durağan atom bulutu boyunca oldukça zayıf bir laser demeti geçirir. Laser demet gücünün zayıf olması, bu bulut içindeki sadece bir avuç foton boyunca laser demetinin geçişini sağlamak içindir. Sonrasında ise araştırmacılar atom bulutunun diğer tarafından gelen fotonları onlar geldikçe ölçerler.

Bilindiği üzere kütlesiz fotonlar normalde saniyede 300 bin kilometre hızla (ışık hızıyla) hareket ederler. Bu çalışmada, görünen o ki, birbirine bağlı bu fotonlar elektronun kütlesinin bir parçası kadar bir kütleye sahip gibiler. Bu yeni hafif kütleli ışık parçacıkları normal etkileşmeyen fotonlardan 100 bin kat daha yavaş hareket ediyorlar.

Araştırmacılar deney sonuçlarında gözlemlerini açıklamak için bir hipotez geliştirdiler. Bu hipotezde, tek bir foton rubidyum atomlarından oluşan bu atom bulutu boyunca ilerledikçe, çiçekler arasına giren bir arı gibi bir diğer atoma geçmeden önce yakındaki bir atom üzerine kısa süreliğine konar ve bu diğer uca varana kadar devam eder. Eğer başka bir foton eşzamanlı olarak bu atom bulutu boyunca ilerlerse, bir rubidyum atomu üzerinde biraz zaman harcayarak bir polariton oluşturabilir. Polaritonlar bir parçası foton bir parçası atom olan hibrit bir kuasiparçacıktır. Sonra iki polariton da birbiri ile etkileşebilir. Bulutun sonunda ise, atomlar olduğu yerde kalırken fotonlar birbirine bağlı olarak çıkarlar. Araştırmacıların bu modelinden iki foton arasındaki etkileşmelerden daha kuvvetli bir bağın oluşmasıyla üç foton için de aynı sürecin işlediği çıkarımı yapılabilir.

Atom bulutundaki tüm etkileşme bir saniyenin milyonda biri kadar bir sürede oluşuyor. Ayrıca, bu etkileşim fotonlar buluttan ayrılmış olsa bile onları birbirine bağlamaya zorlayan bir etkileşim olarak aktif kalmaya devam ediyor.

Vuletic, elde ettikleri sonuçların fotonların gerçekten birbirini çekebildiğini veya birbiriyle dolanık olabildiğini gösterdiğini söylüyor. Eğer onlar başka yollarla da etkileşime girebiliyorsa, fotonlar son derece hızlı ve inanılmaz derecede karmaşık kuantum hesaplamalarını gerçekleştirmek için kullanılabilir.

Vuletic’in deyimiyle birbirinden ayrı fotonların etkileşmesi onlarca yıldır süren bir hayal olmuştu ve bu çalışmanın sonuçları bu hayalin gerçeğe dönüştüğünü gösteriyor.

Bu Bulgulara Göre Olası Uygulama Alanları

Bu çalışmanın bulgularını olası uygulama alanlarını göz önüne alarak düşündüğümüzde araştırmanın günlük hayatımızı ne kadar değiştireceği daha iyi anlaşılıyor. Optik fiberler ışık hızında çok uzak yerlere bilgiyi taşırlar, benzer yolla kuantum bilgiyi de dünya üzerinde dağıtmak mümkün. Eğer fotonlar bir diğerini etkileyebilirse ve sonra bu fotonları dolanık hâle getirebilirsek, (kaldı ki Vuletic ve arkadaşları bunu yaptı) o zamanda kullanışlı bir şekilde kuantum bilgiyi bir yerden bir yere iletmek için bu fotonları kullanabilirsiniz.

Sürekli olarak fotonların birbirini çekerek birleştiğini, ikili veya üçlü olarak ışığın yeni bir formunu oluşturduklarından bahsettik. Ya tersi olsaydı? Fotonlar bilardo masası üzerindeki bilardo topları gibi birbirlerini rastgele dağıtabilseydiler yani itme gibi diğer etkileşmeler içinde olsaydılar ne olurdu? Vuletic bu konuda şunları söylüyor,

“Fotonlar birbirini iterek, bir ışık kristali gibi düzenli bir yapı oluşturabilirler miydi? Yoksa başka bir şey olur muydu? Çok keşfedilmemiş bir bölge.”

Işık kristalini biraz daha açmak gerekebilir. Katıhal fiziğinde, atomların belirli bir örgü sabiti kadar uzaklıkla bir araya gelip tüm yönlerde genişeyen bir kristal örgü oluşturduğu yüksek düzene sahip bir yapıdır. Bir ışık kristali için atomlar yerine fotonları koyalım ve buradan şunu söyleyebiliriz; fotonlardan inşa edilmiş yeni maddeler oluşturmak mümkün olabilir.

Dr. Gökhan Atmaca
Takip: twitter.com/kuarkatmaca

Referanslar:

Jennifer Chu, Physicists create new form of light, MIT News Office
Michael Irving, Photons entangled to make new form of light, New Atlas