JILA Ekibi Kuantum Dünyasını Görüntülemenin Yeni Yolunu İcat Etti

Fotoğraf : JILA’nın atomik saat içindeki kuantum davranışını hızlı ve hassas bir şekilde ölçen yeni görüntüleme tekniği ile yapılan çalışmalar. Görüntüler, temel halde (mavi) veya uyarılmış halde (kırmızı) algılanan atomların suni renk temsilidir. Bu, tüm atomların başlangıçta bir kuantum süper pozisyon durumunda veya aynı anda hem temel hem de uyarılmış hallerde hazırlandığı ve görüntüleme ölçümünün iki durumdan birine doğru bir yığılma gerektirdiği için ortaya çıkar. Görüntüleme tekniği, saat hassasiyetini geliştirmeye, manyetizma ve süper iletkenlik gibi olguların çalışmalarına yeni atomik düzey detaylarını eklemeye ve gelecekte bilim insanlarının yeni fiziği “görmelerine” olanak tanıyacaktır.

JILA bilim adamları, atomik saatte kuantum davranışlarının hızlı ve hassas ölçümlerini neredeyse anlık olarak üreten yeni bir görüntüleme tekniği icat ettiler.

Bu teknik, yüksek çözünürlüklü mikroskopi ile ışık ve madde arasındaki etkileşimlerden bilgi elde eden spektroskopiyi birleştirmektedir.

Fiziksel Gözden Geçirme Raporları’nda açıklandığı gibi JILA yöntemi, üç boyutlu stronsiyum kafes atomik saatinde atomlar arasında enerji kaymalarının uzaysal haritalarını yaparak her bir atomun konumu ve enerji seviyesi veya kuantum durumu hakkında bilgi sağlamaktadır.

Bu teknik, atomik saatler için önemli olan fiziksel etkileri hızlı bir şekilde ölçer. Böylece atomik saatin hassasiyetini artırır ve manyetizma, süper iletkenlik gibi olağanüstü çalışmalara atomik düzeyde yeni detaylar ekleyebilir.

Bu yöntem gelecekte bilim adamlarının sonunda kuantum fiziği ve yerçekimi arasındaki bağlantı gibi yeni fiziksel bağlantıları görmelerine olanak sağlayabilir.

JILA, Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) ve Colorado Boulder Üniversitesi tarafından ortaklaşa işletilmektedir.

JILA / NIST üyesi Jun Ye , “Bu teknik, lazer ışığı ve atomlar ile güzel bir“ müzik ”parçasını yazmamıza ve ardından bunu bir yapıya eşleyerek bir taş gibi dondurup doğrudan bir görüntü olarak, atomlara bakmamızı sağlar.

Atomlar, kuantum dejenere gaz denilen çok sayıda atomun birbiriyle etkileştiği kuantum bir gazda bulunur. Bu “kuantum çok gövdeli” olgu, ölçüm hassasiyetini uç noktalara taşımaktadır.

Atomların güzel bir çekimini elde etmek için, araştırmacılar, atomları düşük enerjili temel düzeydeki durumlarından, yaklaşık 10,000 stronsiyum atomunu bir lazer darbesi ile yüksek enerjili, uyarılmış bir duruma getirirler. Daha sonra, kafesin altına yerleştirilen mavi bir lazer, atomlar boyunca dikey olarak yukarı doğru parlar ve bir kamera, atomların oluşturduğu gölgenin bir resmini çeker. Bu, ne kadar ışık absorbe edildiğinin bir işlevidir. Temel haldeki atomlar daha fazla ışık emer.

Ortaya çıkan görüntüler, temel haldeki (mavi) ve uyarılmış durumdaki (kırmızı) atomların suni renk temsilidir.  Beyaz bölge, yarısı mavi yarısı kırmızı bir karışımdır ve bu da alacalı bir görüntü yaratmaktadır. Bu, atomların başlangıçta bir kuantum süper pozisyon durumunda veya hem yer hem de uyarılmış durumlarda eşzamanlı olarak hazırlandığı ve görüntüleme ölçümünün, görüntüde “parazit” yaratan iki durumdan birine doğru bir çöküşü tetiklediği için ortaya çıkar.

JILA ekibi bunu göstermek amacıyla, küçük frekans değişimlerini ya da uyarılmış halde atomların parçalarını, kafesin farklı bölgelerinde haritalamak için bir dizi görüntü oluşturdu. Eşzamanlı karşılaştırmalar yapma yeteneği, bir grup atomun ölçümlerindeki kesinliği ve hızı artırır. Araştırmacılar, 6 saat içinde 2.5 x 10^-19 frekansında rekor hassasiyet elde ettiklerini bildirdiler. Görüntüleme spektroskopisinin, JILA atomik saatinin ve genel olarak diğer atomik saatlerin hassasiyetini büyük ölçüde geliştirmesi beklenmektedir.

Görüntüleme spektroskopisi, tarama tünelleme mikroskobu tarafından sunulan inanılmaz çözünürlüğe benzer olarak, atomların bölgesel çevreleri hakkında bilgi sağlar.

Şimdiye kadar, yöntem iki boyutlu görüntüler üretmek için kullanılmıştır, ancak katı nesnelerin çoklu kesitlerini birleştiren tomografide olduğu gibi katman katman ölçümlerine dayanan 3 boyutlu görüntüler yapabilir.

Bir çeşit yapay kristal, atomların kafesleri ve fiziğin farklı alanları arasındaki etkileşimi test etmek için manyetik veya yerçekimi sensörü olarak da kullanılabilir.

Jun Ye, “Çok küçük bölgesel ölçeklerde çalışan kuantum mekaniğinin, genel görelilik, yerçekimi teorisi ve makroskopik bir kuvvet ile nasıl etkileştiğini görmek için, atomları bir yerçekimi sensörü olarak kullanmanın gelecekteki olasılığı hakkında çok heyecan duyuluyor. Gelecek 20 yıl içinde saatin daha iyi hale gelmesiyle, bu küçük kristal sadece yer çekiminin, frekansı nasıl etkilediğini haritalamakla kalmayıp, yer çekimi ve kuantum mekaniğinin etkileşimini de görmeye başlayabiliriz. Bu, deneysel araştırmaların hiç ölçemediği fiziksel bir etkidir. Bu görüntüleme tekniği çok önemli bir araç olabilir.” Dedi.

Araştırma NIST, Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı, Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Dairesi ve Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklenmektedir.

Kaynak : nist.gov