Klasik ve kuantum fiziği arasındaki sınırın nerede yattığı sorusu, modern bilimsel araştırmaların en uzun süredir devam eden arayışlarından biridir ve bugün yayınlanan yeni araştırmada bilim insanları, bir cevap bulmamıza yardımcı olabilecek yeni bir platform ortaya koymaktadır.
Kuantum fiziği yasaları, parçacıkların davranışlarını minicik ölçeklerde yönetir ve dolaşık parçacıkların özelliklerinin klasik fizikle açıklanamayacak şekilde ayrılmaz bir şekilde birbirine bağlandığı kuantum dolaşıklık gibi fenomenlere yol açar.
Kuantum fiziğindeki araştırmalar fizik bilgimizdeki boşlukları doldurmamıza yardımcı olur ve bize gerçekliğin daha eksiksiz bir resmini verebilir, ancak kuantum sistemlerinin çalıştığı küçük ölçekler onları gözlemlemeyi ve incelemeyi zorlaştırabilir.
Geçtiğimiz yüzyıl boyunca fizikçiler, elektronlar gibi atom altı parçacıklardan binlerce atom içeren moleküllere kadar giderek daha büyük nesnelerde kuantum fenomenlerini başarıyla gözlemlemişlerdir.
Son zamanlarda, yüksek kütleli mikron ölçekli nesnelerin vakumda kontrolüyle ilgilenen havaya kaldırılmış optomekanik alanı, atom ve moleküllerden birkaç kat daha ağır olan nesnelerde kuantum olaylarının geçerliliğini test ederek sınırları daha da zorlamayı amaçlamaktadır. Bununla birlikte, bir nesnenin kütlesi ve boyutu arttıkça, dolanıklık gibi hassas kuantum özelliklerine neden olan etkileşimler çevreye kaybolur ve gözlemlediğimiz klasik davranışla sonuçlanır.
Ancak şimdi, Manchester Üniversitesi Kuantum Mühendisliği Laboratuvarı Başkanı Dr. Jayadev Vijayan liderliğindeki ekip, ETH Zürih'ten bilim insanları ve Innsbruck Üniversitesi'nden teorisyenlerle birlikte, ETH Zürih'te gerçekleştirilen ve Nature Physics dergisinde yayınlanan bir deneyde bu sorunun üstesinden gelmek için yeni bir yaklaşım geliştirdi.
Dr. Vijayan şunları söyledi: "Kuantum olaylarını daha büyük ölçeklerde gözlemlemek ve klasik-kuantum geçişine ışık tutmak için kuantum özelliklerinin çevreden gelen gürültünün varlığında korunması gerekir. Tahmin edebileceğiniz gibi, bunu yapmanın iki yolu var; biri gürültüyü bastırmak, ikincisi ise kuantum özelliklerini güçlendirmek.
"Araştırmamız, ikinci yaklaşımı benimseyerek bu zorluğun üstesinden gelmenin bir yolunu gösteriyor. Optik olarak tuzaklanmış 0,1 mikron boyutundaki iki cam parçacığı arasındaki dolanıklık için gereken etkileşimlerin, çevreye olan kayıpların üstesinden gelmek için birkaç büyüklük sırasına göre yükseltilebileceğini gösteriyoruz."
Bilim insanları parçacıkları optik bir boşluk oluşturan iki yüksek yansıtıcı ayna arasına yerleştirdi. Bu şekilde, her bir parçacık tarafından saçılan fotonlar, boşluktan çıkmadan önce aynalar arasında birkaç bin kez sekerek diğer parçacıkla etkileşime girme şansını önemli ölçüde artırıyor.
ETH Zürih'ten makalenin eş lideri Johannes Piotrowski şunları ekledi: "Dikkat çekici bir şekilde, optik etkileşimlere boşluk aracılık ettiği için, gücü mesafeyle azalmıyor, yani mikron ölçeğindeki parçacıkları birkaç milimetre boyunca birleştirebiliriz."
Araştırmacılar ayrıca lazer frekanslarını ve parçacıkların boşluk içindeki konumunu değiştirerek etkileşim gücünü hassas bir şekilde ayarlama veya kontrol etme konusunda dikkate değer bir yetenek sergiliyorlar.
Bulgular, temel fiziğin anlaşılmasına yönelik önemli bir sıçramayı temsil etmekle birlikte, özellikle çevresel izleme ve çevrimdışı navigasyon için kullanılabilecek sensör teknolojisinde pratik uygulamalar için de umut vaat ediyor.
Viyana Teknik Üniversitesi'nden işbirlikçi Dr. Carlos Gonzalez-Ballestero şunları söyledi: "Havaya kaldırılmış mekanik sensörlerin temel gücü, algılama kullanan diğer kuantum sistemlerine göre yüksek kütleleridir. Yüksek kütle, onları yerçekimi kuvvetlerini ve ivmeleri tespit etmek için çok uygun hale getirerek daha iyi hassasiyet sağlar. Bu nedenle kuantum sensörler, iklim araştırmaları için kutup buzlarının izlenmesi ve navigasyon amacıyla ivmelerin ölçülmesi gibi çeşitli alanlarda birçok farklı uygulamada kullanılabilir."
Piotrowski sözlerine şunları ekledi: "Bu nispeten yeni platform üzerinde çalışmak ve onu kuantum rejiminde ne kadar ileri götürebileceğimizi test etmek heyecan verici."
Şimdi araştırmacı ekip, kuantum dolanıklığını doğrulamaya yönelik bir adımda yeni yetenekleri köklü kuantum soğutma teknikleriyle birleştirecek. Başarılı olunması halinde, havaya kaldırılmış nano ve mikro parçacıkların dolanıklığının sağlanması, kuantum dünyası ile günlük klasik mekanik arasındaki boşluğu daraltabilir.
Photon Science Institute ve Manchester Üniversitesi Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü'nde Dr. Jayadev Vijayan'ın ekibi, kuantum algılama uygulamaları için çoklu nanoparçacıklar arasındaki etkileşimlerden yararlanarak havaya kaldırılmış optomekanik alanında çalışmaya devam edecek.
