Bilim insanları, zamanı kuantum ölçeğinde ölçmek için yeni bir yöntem geliştirdiler; bu sürecin son derece kısa aralıklar nedeniyle oldukça zor olduğu biliniyor.
Başarının arkasındaki araştırma ekibi, kuantum ölçeğindeki olayları attosaniye cinsinden (10^-18 saniye) ölçebilen araçların, kuantum geçişleriyle ilişkili zaman gecikmesini etkileyen faktörler hakkında daha fazla bilgi sağlayabileceğini öne sürüyor.
Ayrıca bu kuantum ölçeğindeki zaman ölçüm yeteneğinin, fizikçilerin kuantum mekaniğinde zamanın rolünü nihayet ölçmelerine yardımcı olabileceğini de öne sürüyorlar.
Zamanın Kuantum Ölçeğinde Ölçülmesindeki Temel Sorun
Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne’de (EPFL) fizikçi olan Profesör Hugo Dil, yaptığı açıklamada, yalnızca zaman kavramının binlerce yıldır fizikçileri ve filozofları rahatsız ettiğini ve bazen ‘ürkütücü’ olan kuantum mekaniği biliminin “sorunu basitleştirmediğini” belirtti.
Profesör, “Asıl sorun, kuantum mekaniğinde zamanın genel rolü ve özellikle de kuantum geçişiyle ilişkili zaman ölçeğidir” diye açıkladı.
Örneğin, tünel açma (bir kuantum parçacığının görünüşte geçilemez bir bariyerden geçtiği gizemli süreç) veya bir fotonu soğuran (durumunu değiştiren) bir elektron gibi kuantum ölçeğindeki olaylar, onlarca attosaniye kadar kısa bir sürede gerçekleşebilir. Karşılaştırma için araştırmacılar, bu tür “akıllara durgunluk veren tohumlarda” meydana gelen kuantum ölçeğindeki olayların, ışığın küçük bir virüsün genişliğini tamamen geçemeyecek kadar kısa olduğunu söyledi.
Ne yazık ki Profesör Dil, bu kadar kısa sürede meydana gelen olayları ölçmek için tasarlanan araçların süreçteki olayı çarpıtabileceğini belirtiyor.
“2023 Nobel Fizik Ödülü bu kadar kısa zamanlara erişebileceğimizi gösterse de, bu tür bir dış zaman ölçeğinin kullanılması, yapay eserler yaratma riskini taşıyor” diye açıkladı.
EPFL araştırma ekibi, harici zaman izleme yaklaşımlarını kullanmak yerine, kuantum süreçlerinin meydana geldiği sırada ürettiği ‘dahili zaman ölçeklerinden’ yararlanıp yararlanamayacaklarını merak etti. Örneğin, bir elektron bir fotonu soğurduğunda, maddeden ayrılır ve soğurmayla ilgili bilgiyi ortaya çıkan spin biçiminde taşır.
Araştırmacılar, bu değişiklikleri ölçmenin, “temeldeki kuantum sürecinin nasıl ortaya çıktığına dair bilgileri ortaya çıkaracağını” söyledi. Ayrıca bu bilgiyi, harici bir zaman tutma cihazı olmadan geçişin gerçekleşmesi için gereken süreyi çıkarmak için de kullanabilirler.
“İlke şudur: Işık bir elektronu harekete geçirdiğinde, aynı anda birkaç farklı kuantum yolunu izleyebilir” diye açıkladılar. “Bu yollar birbirine müdahale ediyor ve bu müdahale, yayılan elektronun dönüşünde belirli bir model olarak ortaya çıkıyor.”
Teorik olarak, bir parçacığın dönüş düzenindeki bu kuantum ölçeğindeki değişiklikleri izlemek, sürecin attosaniye cinsinden bile ne kadar sürdüğünü ortaya çıkarabilir.
Dil, “Bu zorluk, birikmiş faz ve zaman arasındaki bağlantıya dayanan kuantum girişim yöntemleri kullanılarak çözülebilir” diye açıkladı.
Deneyler Atomik Düzeydeki ‘Şeklin’ Attosaniye Ölçeğindeki Geçişi Etkilediğini Ortaya Çıkardı
Ekip, konsepti test etmek için “dönme ve açı çözümlemeli fotoemisyon spektroskopisi” (SARPES) adı verilen bir teknik kullandı. Onların ifadesine göre bu süreç, bir malzemenin üzerine ışık tutarak onun elektronlarını daha yüksek bir enerji durumuna ‘itmeyi’ içeriyor. Bu artan enerji, elektronları malzemenin fiziksel yapısından ayrılmaya zorlar. En önemlisi, süreç, temel malzemeden çıkan elektronların enerji yönünün ve dönüşünün ölçülmesini sağlar.
İlk deney, farklı atom seviyesi ‘şekillerine’ sahip malzemelerin test edilmesini içeriyordu. Araştırma ekibi, bakır gibi seçilen bazı malzemelerin “tamamen üç boyutlu” olduğunu belirtiyor. Tersine, titanyum diselenid (TiSe₂) ve titanyum ditelürid (TiTe₂) gibi test edilen diğer malzemeler ‘zayıf bağlı katmanlardan’ oluşur ve bu da bunların daha çok iki boyutlu düz levhalar gibi davranmasına neden olur. Ayrıca “daha basit, zincir benzeri bir yapıya” sahip olduğunu tanımladıkları Bakır tellürürü (CuTe) test etmek için SARPES tekniğini de kullandılar.
Ekip, birkaç test yaptıktan sonra tutarlı bir model buldu. Malzemenin yapısı ne kadar basitse, elektronların kuantum geçişi de o kadar uzun sürüyordu. Örneğin sıradan bakırdaki geçiş yaklaşık 26 attosaniye sürdü. Biraz daha basit, iki katmanlı malzemeler olan TiSe₂ ve TiTe₂ test edilirken geçiş süreci 140-175 attosaniyeye kadar yavaşladı. Son olarak, zincir benzeri malzeme CuTe’deki geçiş 200 attosaniyenin “çok ötesinde” sürdü.
Araştırmacılara göre bu sonuç, malzemenin atom yapısının kuantum ölçekli olayın genel süresini etkilediğini, düşük simetrili yapıların daha uzun geçiş sürelerine yol açtığını gösteriyor.
Kuantum Alemiyle İlgili Diğer Gizemleri Çözmek
Araştırmanın ilk yazarı Fei Guo, araştırmalarının sonuçlarını tartışırken, yaklaşımlarının fizikçilere kuantum ölçekli süreçlerde zamanın nasıl davrandığını anlamaları için yeni bir yol sağladığını söyledi.
Guo, “Bu deneyler harici bir referansa veya saate ihtiyaç duymuyor ve elektronun dalga fonksiyonunun, foton emilimi üzerine daha yüksek bir enerjide bir başlangıç durumundan son duruma geçmesi için gereken zaman ölçeğini sağlıyor” diye açıkladı.
Ekibin tekniğinin bir başka potansiyel uygulaması da malzeme tasarımını içeriyor. Ekibin açıklamasına göre, bu tür ultra kısa olayları ölçme yeteneği, “bilim adamlarının belirli kuantum özelliklerine sahip materyaller tasarlamasına ve kuantum durumlarının hassas kontrolüne dayanan gelecekteki teknolojileri geliştirmesine yardımcı olabilir.”
Diğer potansiyel uygulamaları tartışırken Dil, bulgularının bilim adamlarının kuantum mekaniği hakkında uzun süredir devam eden diğer birçok gizemi çözmelerine yardımcı olabileceğini söyledi.
Profesör, “Fotoemisyondaki zaman gecikmesini neyin belirlediğini anlamak için temel bilgiler vermenin yanı sıra, deneysel sonuçlarımız, kuantum düzeyinde zamanı hangi faktörlerin etkilediğine, kuantum geçişlerinin ne ölçüde anlık olarak kabul edilebileceğine dair daha fazla bilgi sağlıyor ve nihayet kuantum mekaniğinde zamanın rolünü anlamanın yolunu açabilir” diye açıkladı.
Çalışma “Kuantum zaman ölçeklerinin simetriye bağımlılığı”Newton’da yayınlandı.
Christopher Plain, Bilim Kurgu ve Fantazi roman yazarı ve The Debrief’te Baş Bilim Yazarıdır. Onu takip edin ve onunla bağlantı kurun X, onun kitapları hakkında bilgi edinin plainfiction.comveya doğrudan şu adrese e-posta gönderin: [email protected].
