Fizikçiler yeni bir ışık formu oluşturdu

Yeni gözlenen optik durum, fotonlarla kuantum hesaplamayı mümkün kılabilir.

Metin: Jennifer Chu, MIT İletişim

Hızlı bir deney yapın: İki el feneri alıp karanlık bir odaya girin ve fenerleri ışıkları kesişecek şekilde tutun. Bir olağandışılık fark ettiniz mi?

Yanıt hayal kırıklığına uğratacak olsa da muhtemelen hayır. Bunun sebebi, ışığı oluşturan bireysel fotonların etkileşime girmemesi.

Etkileşime girmek yerine, gece karanlığında umursamaz ruhlar misali, sadece birbirlerinin yanından geçip giderler.

Peki, ya ışık parçacıklarının, sıradan maddedeki atomlar gibi birbirini itip çekerek birbiriyle etkileşime girmesi sağlanabilseydi? Cezbedici olmakla birlikte bilim kurgu bir olasılık: Işın kılıçları; göz kamaştırıcı, destansı yüzleşmelere yol açarak birbirini çekip itebilen ışık demetleri. Veya daha olası bir senaryoda, iki ışık demeti bir araya gelerek tek bir parlak akım olarak birleşebilir.

Böylesi bir optik davranış, fizik kurallarını zorlamayı gerektirirdi gibi görünebilir ama MIT, Harvard Üniversitesi ve başka kurumlardaki bilim insanları fotonların aslında birbiriyle etkileşime sokulabileceğini artık kanıtladı. Bu, ışın kılıçlarında olmasa da fotonları kuantum hesaplamasında kullanmanın yolunu açabilecek bir başarı.

MIT Lester Wolfe Fizik Profesörü Vladan Vuletic ve Harvard Üniversitesi’nden Profesör Mikhail Lukin tarafından yönetilen ekip, Science dergisinde yayımlanan makalede, birbiriyle etkileşime giren ve bu etkiyle birbirine yapışarak yepyeni bir tür fotonik madde oluşturan üçlü foton grupları gözlemlediklerini bildirdi.

Yapılan kontrollü deneylerde araştırmacılar, ultra soğuk rubidyum atomlarından oluşan yoğun bir buluta çok zayıf bir lazer demeti yansıttıklarında fotonların buluttan rastgele aralıklarla, tek tek çıkmadığını, bunun yerine ikili ya da üçlü gruplar halinde birbirine bağlı olarak çıktıklarını buldu. Bu, kendi aralarında bir tür etkileşimin oluştuğuna ve bu durumda etkileşimin de çekim olduğuna işaret ediyor.

Fotonlar normalde kütlesiz oldukları ve saniyede 300.000 km hızla (ışık hızı) hareket ettikleri halde, araştırmacılar birbirine bağlı fotonların aslında bir elektron kütlesinin çok küçük bir parçası kadar kütle kazandığını buldu. Yeni ağırlık kazanan bu ışık parçacıkları aynı zamanda nispeten yavaşladı; etkileşime girmeyen normal fotonlardan 100.000 kat daha yavaş hareket ediyordu.

Vuletic, bulunan sonuçların, fotonların aslında birbirini çekebildiğini veya birbirine dolanabildiğini gösterdiğini belirtiyor. Birbirleriyle başka yollarla etkileşime girmeleri sağlanabilirse olağanüstü hızlı ve inanılmaz karmaşık kuantum hesaplamaları için fotonlardan yararlanılabilir.

“Tek tek fotonların etkileşimi on yıllardır süregelen bir hayaldi,” diyor Vuletic.
Vuletic’in yanı sıra diğer yazarları arasında MIT’den Qi-Yung Liang, Sergio Cantu ve Travis Nicholson, Harvard’dan Lukin ve Aditya Venkatramani, Maryland Üniversitesi’nden Michael Gullans ve Alexey Gorshkov, Princeton Üniversitesi’nden Jeff Thompson ve Chicago Üniversitesi’nden Cheng Ching bulunuyor.

Daha da büyüğü
MIT – Harvard Center for Ultracold Atoms (Ultra Soğuk Atomlar Merkezi)’ni yöneten Vuleric ve Lukin birlikte, fotonlar arasındaki etkileşimleri teşvik etmenin hem teorik hem pratik yollarını arıyorlardı. 2013’te çabalarının karşılığını alan ekip foton çiftlerinin, maddenin tümüyle yeni bir formunu oluşturarak ilk kez etkileşime girdiğini ve birbirlerine bağlandığını gözlemledi. Yeni çalışmalarında araştırmacılar, etkileşimlerin sadece iki foton arasında değil daha fazla sayıda foton arasında olup olamayacağını öğrenmek istedi.

Vuletic, “Örneğin oksijen moleküllerini O2 ve O3 (ozon) oluşturmak üzere birleştirebilirsiniz ancak O4 oluşturmak üzere birleştiremezsiniz. Bazı moleküller için üç parçacıklı bir molekül bile oluşturamazsınız,” diyor. “Dolayısıyla şu çözüme ulaşmamış bir soruydu: Daha da büyük şeyler yapmak için bir moleküle daha fazla foton ekleyebilir misiniz?”

Yanıtı bulmak üzere ekip, iki fotonlu etkileşimleri gözlemlemek için kullandıkları aynı deneysel yaklaşımı kullandı. Süreç, rubidyum atomları bulutunu ultra soğuk derecelere, mutlak sıfırın sadece milyonda bir derece üzerinde soğutmakla başlıyor. Atomları soğutmak onları neredeyse durma noktasına kadar yavaşlatıyor. Daha sonra araştırmacılar, bu hareketsiz atomlar bulutuna çok zayıf, herhangi bir zamanda buluttan sadece bir avuç fotonun geçeceği kadar zayıf bir lazer demeti yansıtıyor.

Ardından araştırmacılar, fotonları bulutun diğer tarafından çıkarken ölçüyor. Bu yeni deneyde araştırmacılar, tek tek fotonların birbirlerine etkisi olmadığı için fotonların buluttan rastgele aralıklarla çıkmak yerine, ikili ya da üçlü gruplar halinde bulutu terk ettiğini buldu.

Fotonların sayısını ve hızını takip etmenin yanı sıra ekip, atom bulutundan geçmeden önce ve geçtikten sonra fotonların fazını da ölçtü. Bir fotonun fazı, fotonun salınım frekansını belirtiyor.

Venkatramani, “Faz, bunların ne kadar güçlü bir şekilde etkileşime girdiğini söylüyor. Faz ne kadar büyükse o kadar güçlü bir şekilde birbirlerine tutunuyorlar,” diye açıklıyor. Ekip, fotonların hiç etkileşime girmedikleri durumla karşılaştırıldığında, üç fotonlu parçacıkların atom bulutundan eş zamanlı olarak çıkarken fazlarının değiştiğini ve faz değişiminin iki fotonlu moleküllerin faz değişiminden üç kat büyük olduğunu gözlemledi. “Yani demek ki bu fotonların her biri sadece bağımsız olarak etkileşime girmiyor, hepsi birlikte güçlü bir şekilde etkileşime giriyor.”

Hatırlanan rastlaşmalar
Ardından araştırmacılar, fotonların daha en başta etkileşime girmesine neyin sebep olduğunu açıklamak için bir hipotez geliştirdiler. Fizik ilkelerine dayanan modelleri şöyle bir senaryoyu ileri sürüyor: Tek bir foton, rubidyum atomları bulutunda ilerlerken diğer uca ulaşana dek, tıpkı bir arının çiçekler arasında uçuşması gibi, başka bir atoma sıçramadan önce kısa süreliğine yakın bir atoma konuyor.

Aynı esnada başka bir fotonun bulut içerisinde ilerlemesi halinde bu foton da bir rubidyum atomu üzerinde biraz zaman geçirerek bir polariton –kısmen foton kısmen atom olan bir hibrid– oluşturur. Daha sonra iki polariton atomik bileşenleri aracılığıyla birbiriyle etkileşebilir. Bulutun kenarında, fotonlar hâlâ birbirine bağlı halde buluttan çıkarken atomlar oldukları yerde kalır.

Araştırmacılar, iki foton arasındaki etkileşimden daha güçlü bir bağ oluşturacak şekilde aynı olayın üç fotonla da meydana gelebileceğini ortaya koydu.
“İlginç olan, bu üçlülerin oluşmasıydı,” diyor Vuletic. “Bu üçlülerin, foton çiftlerine kıyasla daha mı az, daha mı çok yoksa eşit derecede mi güçlü bağlı olacağı bilinmiyordu.”

Atom bulutu içerisindeki tüm etkileşim saniyenin milyonda birinde oluşabilir. İşte bu etkileşim, bulutu terk etmelerinden sonra bile fotonların bağlı kalmasına yol açıyor.
“Burada etkileyici olan, fotonların ortamdan geçerken ortamda olan her şeyi dışarı çıktıklarında ‘hatırlıyor’ olması,” diye açıklıyor Cantu.

Yani demek ki birbiriyle -bu durumda aralarındaki çekim üzerinden- etkileşime giren fotonların, güçlü bir şekilde birbiriyle ilintili ya da birbirine dolaşık –herhangi bir kuantum hesaplama bitinin önemli bir özelliği– olduğu düşünülebilir.

“Fotonlar, uzun mesafelerde çok hızlı yol alabiliyor ve insanlar optik fiberlerde olduğu gibi ışığı bilgi aktarımı için kullanıyor,” diyor Vuletic. “Fotonlar birbirini etkileyebiliyorsa o zaman bu fotonları birbirine dolayabilirseniz, bizim yaptığımız da buydu, fotonları kuantum bilgisini ilginç ve kullanışlı bir yöntemle dağıtmak için kullanabilirsiniz.”

Ekip, daha da ileri gidip fotonların birbirini bilardo topları gibi etrafa dağıttığı, itme gibi başka etkileşimleri zorlamanın yollarını arayacak.

“Bu konu, bazen niteliksel olarak ne bekleyeceğimizi bile bilmiyor olmamız açısından tamamen benzersiz,” diyor Vuletic. “Fotonlar birbirini iterek bir ışık kristali gibi düzenli bir desen oluşturabilir mi? Yoksa başka bir şey mi olacak? Bu henüz pek bilinmeyen bir alan.”
Bu araştırmanın bir kısmı National Science Foundation (Ulusal Bilim Vakfı) tarafından desteklendi.

Haber kaynağı: http://news.mit.edu/2018/physicists-create-new-form-light-0215