Tek tek atomların enerji durumlarını hassas bir şekilde ölçmek, atomik geri tepme nedeniyle fizikçiler için tarihsel bir zorluk olmuştur. Bir atom bir fotonla etkileşime girdiğinde, atom ters yönde "geri teper" ve bu da atomun konumunu ve momentumunu hassas bir şekilde ölçmeyi zorlaştırır. Bu geri tepme, örneğin Dünya'nın şeklini belirlemek ve hatta karanlık maddeyi tespit etmek için kütleçekim dalgalarındaki değişiklikleri kullanmak gibi parametrelerdeki küçük değişiklikleri tespit eden kuantum algılama için büyük etkilere sahip olabilir.
Science dergisinde yayınlanan yeni bir makalede, JILA ve NIST Üyeleri Ana Maria Rey ve James Thompson, JILA Üyesi Murray Holland ve ekipleri, atomların karşılık gelen fotonları değiş tokuş ederek momentumlarını değiş tokuş ettikleri momentum değişim etkileşimi adı verilen yeni bir atomik etkileşim türü göstererek bu atomik geri tepmenin üstesinden gelmenin bir yolunu önerdiler.
Aynalardan oluşan kapalı bir alan olan bir boşluk kullanan araştırmacılar, atomik geri tepmenin, kapalı alan içinde enerji durumlarını değiştiren atomlar tarafından sönümlendiğini gözlemlediler. Bu süreç kolektif bir enerji emilimi yarattı ve geri tepmeyi tüm parçacık popülasyonu arasında dağıttı.
Bu sonuçlarla diğer araştırmacılar, fizikçilerin karmaşık sistemleri daha iyi anlamalarına veya kuantum fiziğinin yeni yönlerini keşfetmelerine yardımcı olabilecek çok çeşitli deneylerde geri tepmeyi ve diğer dış etkileri sönümleyecek boşluklar tasarlayabilirler. Geliştirilmiş bir kavite tasarımı, Bose-Einstein-Kondensat-Bardeen-Cooper-Schrift (BEC-BCS) geçişi veya yüksek enerjili fiziksel sistemlerde olduğu gibi süper iletkenliğin daha hassas simülasyonlarını da mümkün kılabilir.
İlk kez, momentum değişimi etkileşiminin atomik momentum durumları arasında kuantum dolanıklığının bir yönü olan tek eksenli büküm (OAT) dinamiğini tetiklediği gözlemlenmiştir. OAT, her kuantum durumu bükülüp başka bir parçacığa bağlandığından, farklı molekülleri dolaştırmak için bir kuantum örgüsü gibi davranır.
Daha önce, OAT sadece atomun iç durumlarında görülüyordu, ancak şimdi, bu yeni sonuçlarla, momentum değişiminin neden olduğu OAT'nin birden fazla atomdan gelen kuantum gürültüsünü azaltmaya yardımcı olabileceği düşünülüyor. Momentum durumlarını birbirine dolayabilmek, kütleçekim dalgaları gibi kuantum sensörleri tarafından yapılan bazı fiziksel ölçümlerde de iyileşmeye yol açabilir.
Yoğunluk Izgaralarından Yararlanma
Thompson ve ekibinin önceki araştırmalarından esinlenen bu yeni çalışmada araştırmacılar, foton veya elektron gibi parçacıkların aynı anda birden fazla kuantum durumunda bulunmasına olanak tanıyan kuantum süperpozisyonunun etkilerini inceledi.
Yüksek lisans öğrencisi ve ilk yazar Chengyi Luo, "Bu [yeni] projede, atomların hepsi aynı spin etiketini paylaşıyor; tek fark, her atomun iki momentum durumu arasında bir süperpozisyonda olmasıdır" dedi.
Araştırmacılar, atomları foton ve ilişkili enerjilerini değiş tokuş etmeye zorlayarak atomik geri tepmeyi daha iyi kontrol edebileceklerini keşfettiler. Bir yakartop oyununa benzer şekilde, bir atom bir "yakartop" (bir foton) "fırlatabilir" ve ters yönde geri tepebilir. Bu "yakartop" ikinci bir atom tarafından yakalanabilir ve bu ikinci atom için de aynı miktarda geri tepmeye neden olabilir. Bu, her iki atom tarafından deneyimlenen iki geri tepmeyi iptal eder ve tüm boşluk sistemi için bunların ortalamasını alır.
İki atom farklı foton enerjilerini değiş tokuş ettiğinde, süperpozisyonda ortaya çıkan dalga paketi (bir atomun dalga dağılımı), ince dişli bir tarağa benzeyen yoğunluk ızgarası olarak bilinen bir momentum grafiği oluşturur.
Luo, "Yoğunluk ızgarasının oluşumu, [atom içindeki] iki momentum durumunun [birbirleriyle] etkileşime girebilecek şekilde birbirleriyle 'uyumlu' olduğunu gösterir" diye ekledi. Araştırmacılar, atomlar arasında foton alışverişinin iki atomun dalga paketlerinin bağlanmasına neden olduğunu, böylece artık ayrı ölçümler olmadıklarını buldular.
Araştırmacılar, yoğunluk ızgarası ile optik boşluk arasındaki etkileşimi keşfederek momentum değişimini tetikleyebildiler. Atomlar enerji alışverişinde bulundukları için, bir fotonun soğurulmasından kaynaklanan herhangi bir geri tepme, tek tek parçacıklar yerine tüm atom topluluğu arasında dağıldı.
Doppler Kaymasını Sönümleme
Araştırmacılar bu yeni kontrol yöntemini kullanarak, bu geri tepme sönümleme sistemini ayrı bir ölçüm sorununu hafifletmeye yardımcı olmak için de kullanabileceklerini keşfettiler: Doppler kayması.
Klasik fizikte bir fenomen olan Doppler kayması, bir siren veya tren kornasının sesinin bir dinleyicinin yanından geçerken neden perde değiştirdiğini veya gece gökyüzü görüntülerinde belirli yıldızların neden kırmızı veya mavi göründüğünü açıklar – kaynak ve gözlemci birbirlerine doğru (veya birbirlerinden uzaklaştıkça) dalganın frekansındaki değişimdir. Kuantum fiziğinde Doppler kayması, bir parçacığın göreli hareketinden kaynaklanan enerji değişimini tanımlar.
Luo gibi araştırmacılar için Doppler kayması, hassas bir ölçüm elde etmede üstesinden gelinmesi gereken bir zorluk olabilir. "Fotonları emerken, atomik geri tepme fotonun frekansında bir Doppler kaymasına yol açacaktır, bu da hassas spektroskopi hakkında konuştuğunuzda büyük bir sorundur" diye detaylandırdı. Araştırmacılar, yeni yöntemlerinin simülasyonunu yaparak, Doppler Kayması nedeniyle ölçüm çarpıklığının üstesinden gelebileceğini buldular.
Dolaşan Momentum Değişimi
Araştırmacılar ayrıca bu atomlar arasındaki momentum değişiminin bir tür kuantum dolaşıklık olarak kullanılabileceğini buldular. Holland grubunda yüksek lisans öğrencisi olan John Wilson'ın dediği gibi, "Bir atom düşerken, hareketi boşluk frekansını oynatır. Bu da diğer atomları bu geri besleme mekanizmasını kolektif olarak hissetmeye teşvik ediyor ve hareketlerini paylaşılan sallantılarla ilişkilendirmeleri için onları dürtüyor."
Bu "dolaşıklığı" daha da test etmek için araştırmacılar atomların momentum durumları arasında daha büyük bir ayrım yarattı ve ardından momentum değişimini tetikledi. Araştırmacılar atomların birbirlerine bağlıymış gibi davranmaya devam ettiklerini buldular. Luo, "Bu, iki momentum durumunun sanki bir yayla bağlıymış gibi birbirleriyle ilgili olarak gerçekten salınım yaptığını gösteriyor" diye ekledi.
İleriye dönük olarak, araştırmacılar bu yeni kuantum dolanıklık biçimini daha fazla incelemeyi planlıyor ve çeşitli kuantum cihaz türlerini geliştirmek için nasıl kullanılabileceğini daha iyi anlamayı umuyorlar.
