Havada Asılı Nano Kümeler, Karanlık Maddenin Sırrını Çözebilir
ETH Zürih bilim insanları, daha önce ölçülemeyecek kadar küçük olan kuantum titreşimlerini ortaya çıkararak havada asılı duran nano cam küreler geliştirdiler. Oda sıcaklığındaki bu başarıları, bir gün karanlık maddeyi tespit edebilecek veya GPS’siz navigasyonu mümkün kılabilecek yeni kuantum sensörlerinin önünü açıyor.
Geleceğin kuantum teknolojilerinin yalnızca tek atomları değil, çok daha büyük parçacıkları da aynı hassasiyetle manipüle etmesi gerekecek.
ETH Zürih bilim insanları, nispeten büyük bir nano ölçekli nesneyi o kadar iyi bir şekilde stabilize etmeyi başardılar ki, neredeyse tüm hareketleri kuantum mekaniği tarafından yönetiliyor.
Bu çığır açan buluş, son derece hassas kuantum sensörlerinin yolunu açarak yeni nesil navigasyon sistemleri ve gelişmiş tıbbi uygulamalar için olanaklar sunabilir.
Kuantum Atılımları İçin Nano Kuleleri Havada Tutmak
Üç küçük cam küre birbirine yapışarak, üst üste dizilmiş üç top dondurmaya benzeyen hassas bir dikey küme oluşturuyor; ancak bu küme akıl almaz derecede küçük bir ölçekte. Kümenin toplam genişliği, insan saçının yaklaşık onda biri kadar. ETH Zürih’teki araştırmacılar, lazer ışınları ve hassas optik aletlerin bir kombinasyonunu kullanarak bu minik küreleri havada neredeyse kusursuz bir şekilde asılı tutmayı başardılar. Bu olağanüstü kontrol, kuantum bilgisayarlarıyla birlikte kuantum araştırmalarından ortaya çıkan en umut verici teknolojilerden bazılarını temsil eden yeni nesil kuantum sensörlerinin önünü açabilir.
Fotonik yardımcı doçenti Martin Frimmer liderliğindeki ekip, levitasyon deneylerinde cam küreler üzerindeki yerçekimi kuvvetini etkisiz hale getirmeyi başardı. Ancak uzun küme, tıpkı bir pusula iğnesinin durması gibi hafifçe titremeye devam etti. Bu titreşimler inanılmaz derecede hızlı ve inceydi: yapı saniyede yaklaşık bir milyon kez sallanıyordu ve her hareket yalnızca birkaç binde bir derecelik bir alanı kapsıyordu. Bu hafif dönme hareketi, sıfır noktası dalgalanması olarak bilinen temel bir kuantum davranışını yansıtıyor; tüm maddelerin deneyimlediği küçük, kaçınılmaz hareket.
Frimmer’ın grubundaki doktora sonrası araştırmacı ve çalışmanın ilk yazarı Lorenzo Dania, “Kuantum mekaniğinin ilkelerine göre hiçbir nesne tamamen hareketsiz kalamaz,” diye açıklıyor. “Bir nesne ne kadar büyükse, bu sıfır noktası dalgalanmaları o kadar küçük ve gözlemlenmesi o kadar zor olur.”
Oda Sıcaklığında Rekor Kıran Kuantum Saflığı
Şimdiye kadar hiç kimse bu boyuttaki bir nesnedeki bu kadar küçük hareketleri benzer bir hassasiyetle ölçmemişti. ETH Zürih ekibi, normalde sinyali gizleyecek neredeyse tüm klasik, kuantum dışı hareket kaynaklarını filtreleyebildikleri için başarılı oldu. Ölçümlerinde, kümenin hareketinin %92’si kuantum etkilerine atfedilebildi ve geriye yalnızca %8’i klasik fizikten kaynaklandı; bu da beklentileri aşan bir “kuantum saflığı” seviyesiydi. Dania, “Önceden bu kadar yüksek bir kuantum saflığına ulaşmayı beklemiyorduk,” diyor.
Başarı, oda sıcaklığında yapıldığı için daha da etkileyiciydi. Bu tür deneyler genellikle numuneleri mutlak sıfıra (-273 santigrat derece) yaklaştıran soğutma ekipmanları gerektirir. ETH’nin kurulumu böyle aşırı koşullara ihtiyaç duymadı. Frimmer, bu başarıyı verimlilikte bir sıçramaya benzetiyor: “Sanki geleneksel kamyonlardan daha fazla yük taşıyan ve aynı zamanda daha az yakıt tüketen yeni bir araç yapmışız gibi.”
Nano Dünyadaki Kuantum Devleri
Birçok araştırmacı, tek tek veya küçük atom gruplarında kuantum etkilerini araştırırken, Frimmer ve grubu nispeten büyük nesnelerle çalışanlar arasında. Nanoküre kümeleri günlük kullanımda küçük olabilir, ancak birkaç yüz milyon atomdan oluşuyor ve bu da onu bir kuantum fizikçisinin bakış açısından muazzam kılıyor. Bu boyuttaki nesnelere olan ilgi, kısmen gelecekteki kuantum teknolojisi uygulamalarına yönelik umutlardan kaynaklanıyor. Bu tür uygulamalar, kuantum mekaniği prensipleri kullanılarak daha büyük sistemlerin kontrol edilmesini gerektiriyor.
Araştırmacılar, optik cımbız olarak bilinen bir yöntem kullanarak nano parçacıklarını havaya kaldırmayı başardılar. Bu işlemde parçacık, şeffaf bir kap içindeki vakuma yerleştirilir. Polarize lazer ışığını bu kabın içindeki bir noktaya odaklamak için bir mercek kullanılır. Bu odak noktasında parçacık, polarize lazerin elektrik alanıyla hizalanır ve böylece sabit kalır.
Geleceğin Kuantum Teknolojileri için Bir Fırlatma Rampası
Frimmer, “Başardığımız şey, bir gün uygulamalara aktarılabilecek ileri araştırmalar için mükemmel bir başlangıç,” diyor. Bu tür uygulamalar için öncelikle, tüm dış müdahalelerin başarıyla bastırılabileceği ve hareketlerin istenen şekilde kontrol edilebileceği yüksek kuantum saflığına sahip bir sisteme ihtiyaç duyulduğunu belirtiyor ve bunun artık başarıldığını ekliyor. Daha sonra kuantum mekaniği etkilerini tespit etmek, bunları ölçmek ve sistemi kuantum teknolojik uygulamalarında kullanmak mümkün olacak.
Olası uygulamalar arasında, yerçekimi ve kuantum mekaniği arasındaki ilişkiyi araştırmak için deneyler tasarlamak üzere fizikteki temel araştırmalar yer alıyor. Sensöre etki eden gaz molekülleri veya hatta temel parçacıklar gibi küçük kuvvetleri ölçen sensörlerin geliştirilmesi de düşünülebilir. Bu, karanlık madde arayışında faydalı olacaktır. Frimmer, “Artık nispeten basit, uygun maliyetli ve bu amaç için çok uygun bir sistemimiz var,” diyor.
Tıbbi Görüntüleme ve GPS’siz Navigasyon
Uzak gelecekte, kuantum sensörleri tıbbi görüntülemede de kullanılabilir. Ölçüm cihazlarının çoğunlukla arka plan gürültüsünü algıladığı ortamlarda zayıf sinyalleri tespit edebilmeleri umuluyor. Bir diğer potansiyel uygulama ise, GPS uydusuyla temas olmadığında bile araç navigasyonunu kolaylaştırabilecek hareket sensörleri olabilir.
Bu uygulamaların çoğu için kuantum sisteminin minyatürleştirilmesi gerekecektir. ETH araştırmacılarına göre, bu prensipte mümkün. Her halükarda, zaman alıcı, maliyetli ve enerji yoğun soğutma olmadan istenen kontrol edilebilir kuantum durumuna ulaşmanın bir yolunu bulmuşlardır.
Kaynak: https://scitechdaily.com