Yeni bir araştırmada, MIT'den bilim insanları kuantum ilişkisi içindeki parçacıklardan gelen okunması zor sinyalleri güçlendirmenin yolunu buldu. Etkileşen atomların yaydıkları titreşim bunlardan biri. Buldukları yöntem atom saatlerinden, keşfetmesi zor karanlık maddelere kadar birçok küçük olayın daha iyi ölçülmesini sağlıyor. Makaleleri Nature Physics dergisinde yayınlandı.
Atomlardaki kuantum titreşimleri minik bir bilgi dünyası gibidir. Bilim insanları bu atomik salınımları ve zaman içinde nasıl değiştiklerini ölçerek atomik saatlerin ve kuantum sensörlerinin hassasiyetini artırıyor. Atom sistemleri olan bu sensörler, karanlık maddenin varlığını gösteren yakındaki bir kütleçekim dalgalanmasına ve hatta yeni, beklenmedik fenomenlere işaret eder.
Eleği Küçültmek Yerine Altını Büyütmek
Kısık sesli şeyleri nasıl daha sesli hale getirirsiniz? Yaydıkları sesin şiddetini artırırsınız. Kuantum fenomenlerinin böyle bir ses yükseltme özelliğine çok ihtiyacı var. Fizikçiler farklı elementlerin atomlarını alıp onları mutlak sıfıra yaklaşana kadar aşırı soğutabiliyor (-273 C). Bu noktada atomların hareketleri büyük oranda yavaşlıyor ve gözle seçilebilir hale geliyor; elektron mikroskobu veya son derece ince ayarlı başka bir aletin gözüyle.
Atomları yavaşlatmak onlara dair pek çok şeyi gözlemlemeyi sağlıyor ancak mevcut en iyi araçlarımızla bile göremediğimiz küçüklükte birçok başka fizik olayı var. Bilim insanlarına göre ırmak yatağındaki altını bulmak için elimizden gelen en küçük eleği yaptık ve artık altının kendisini büyütmemiz gerek. Bilim insanları parçacıkları iki temel süreçten geçirerek yaydıkları atomik titreşimlerdeki kuantum değişikliklerini "büyütebiliyor": Kuantum dolaşıklığı ve zamanın tersine çevrilmesi.
Zamanı Geriye Çevirmek
MIT'deki fizikçiler küçük fizik olaylarının hala cihazlarımız tarafından yakalanamadığını belirtiyor. Karanlık madde arayışı bu fenomenlerden biri. Herkes karanlık maddeyi kanıtlayacak fenomenleri gözlemlenebilirlik alanına çekmenin yollarını arıyor. Bulunan bir çözüm ise kulağa sıra dışı gelen bir şey. Hayır, zamanda geriye gitmenin yolunu bulmadılar ancak fizikçiler kuantum dolaşıklığı içindeki atomları manipüle ederek parçacıkların sanki zamanda geriye doğru gidiyormuş gibi davranmalarını sağladılar. Araştırmacılar atomik salınımları geriye sardıkça, bu salınımlardaki herhangi bir değişiklik kolayca ölçülebilir şekilde güçlendi.
Kuantum fenomenini daha iyi "duymak" için onun şiddetini artırmak isteyen bilim insanları metalik element iterbiyumdan 50 ila 400 atomluk bulutlar oluşturdular. İterbiyum atomik saatlerde en iyisidir ve zamanı tutmada yalnızca saniyenin kentilyon (18 sıfır) parçasında bir oranında şaşmasıyla bilinir. İterbiyum atom saati keşfedilene dek en iyi saatler her gün en az 15 dakika kaybediyordu. Bir atom saatinde atomlar lazerler kullanılarak kapana kısılır ve sonra ayrı lazerler ile "kızıştırılır". İterbiyum başka bir uygulama olan kuantum hesaplamada da popüler, burada da lazerlerle olduğu yere hapsediliyor ve sonra uyarılıyor.
MIT'nin zamanı geri çevirerek karanlık maddeyi bulma deneyinde iterbiyum atomları bir lazer sistemi tarafından tutuluyor ve mutlak sıfıra yakın bir değere kadar soğutuluyor. Atomlar aşırı düşen ısıyla aşırı yavaşladıktan sonra bilim insanları atomları dolaşıklık durumuna sokan mavi bir "dolaşıklık" lazeri kullanıyor. Dolaşıklık, atomların birbirinden ayrı halde uzakta bulunmasına rağmen birlikte hareket ettikleri kuantum durumudur. Bunun ardından atomları dolaşıklıktan geri çıkarmak için zıt etkili kırmızı bir lazer kullanıyorlar. Buna "zamanı tersine çevirme" deniyor çünkü tüm kuantum fenomenini geriye sarıyor.
Bilim insanları onlarca yıldır bir sistemin enerjisinin bu şekilde tersine çevrilebileceğini ve dolaşık sistemde olan herhangi bir şeyin tersine çevirme ile büyütüleceğini teorize ediyordu. Kırmızı lazer kullanarak ve sonuçları gözlemleyerek teorilerini doğruladılar. Deneysel düzeneğin binlerce kez tekrarlanmasıyla, zamanı tersine çevirmenin bir kuantum olayının gözlenebilir şiddetini 15 kata kadar büyüttüğü bulundu.
Bu teknik, mevcut son teknoloji atomik saatlerin doğruluğunu 15 kat artırıyor ve zamanlamalarını o kadar hassas hale getiriyor ki, evrenin bütün yaşı (13,8 milyar yıl) boyunca sadece 20 milisaniye sapıyorlar. Bu yöntem aynı zamanda yerçekimi dalgalarını, karanlık maddeyi ve diğer fiziksel olayları tespit etmek için tasarlanmış kuantum sensörlerin etkinliğini artıracak.
Bu çalışma karanlık madde arayışını etkiliyor. Kuantum atomik saatler, karanlık madde arayışının kilit parçasıdır. Bilim insanları dünyanın her yerine, zamanı saniyenin kentilyonda biri oranında ölçen atomik saatler yerleştirerek ve bu saatlerin ne zaman ve nasıl bozulduğunu gözlemleyerek karanlık maddenin o an nereden geçiyor olduğunu bulmaya çalışacaklar.
