Bilim insanları, atomların hareketinde kuantum dolanıklığı olgusunu ilk kez gözlemleyerek, Albert Einstein'ın "uzaktan ürkütücü etki" olarak tanımladığı bu fenomeni daha da gerçek kıldı.
Nature Communications dergisinde yayımlanan yeni bir çalışmada araştırmacılar, son derece soğutulmuş helyum atomu çiftlerinin, bir parçacığın kütlesi dikkate alınarak ne kadar hızlı ve hangi yönde hareket ettiğini belirten momentum aracılığıyla kuantum mekaniksel olarak birbirine bağlanabildiğini gösterdi.
Kuantum dolanıklık, kuantum mekaniğinin en tuhaf özelliklerinden biridir. İki parçacık dolanık hale geldiğinde, bir parçacık üzerindeki ölçüm anında diğerini etkiler. Bilim insanları daha önce bunu fotonlar (ışık paketleri) ve atomların içsel spin durumlarında göstermişlerdi, ancak kütlesi olan parçacıkların hareketinde ilk kez bu durum gözlemlenmiş oldu. Bu deneyin önemi, atomların kütleye sahip olması ve kütlenin kütleçekimine tepki vermesi, fotonların ise vermemesinden kaynaklanıyor. Momentumla dolanık hale getirilen atomlar, bir gün uzay-zaman dalgalanmalarını veya Dünya'nın iç yapısını haritalamak için yeterince hassas kuantum sensörlerini güçlendirebilir.
Dolanıklık Anı Yakalandı
Araştırmacılar, atom olarak helyumu tercih ettiler çünkü helyum, deneylerin sadece 20 ila 30 saniye sürdüğü göz önüne alındığında, yaklaşık iki saatlik bir ömre sahip, uzun ömürlü uyarılmış bir durumda tutulabiliyor. Bu iç enerji, her atomun bir dedektöre yeterli kuvvetle çarpmasını sağlayarak bireysel olarak kaydedilmesine olanak tanıyor. Bu sayede araştırmacılar, bulutun üç boyutlu momentumunu tek atom çözünürlüğüyle yeniden yapılandırabiliyorlar.
Momentumla dolanık atom çiftleri oluşturmak için araştırmacılar, mutlak sıfır dereceye yakın bir sıcaklığa kadar soğutulmuş bir helyum bulutuyla başladılar. Normalde atomlar bağımsız olarak hareket eder. Ancak yeterince soğutulduklarında, neredeyse durma noktasına kadar yavaşlarlar. Kuantum kimlikleri, Bose-Einstein yoğunlaşması adı verilen tek bir kolektif nesneye bulanıklaşır.
Ardından, ayarlanmış lazer darbeleri kullanarak bu yoğunlaşmayı üç gruba ayırdılar: biri yukarı doğru itilen, biri aşağı doğru itilen ve biri sabit kalan grup. Hareket eden bulutlar sabit olanın içinden geçerken, atom çiftleri çarpışarak zıt yönlerde dağıldı ve ilişkili çiftlerin küresel kabuklarını oluşturdu. Fizikçiler buna "saçılma haleleri" diyor. Düşük yoğunlukta, her deneysel atışta yalnızca bir çift saçılır. "Ya bir konumda bir çift olur, ya da başka bir konumda," diyen araştırmacılar, "Dolanık durumunuz her ikisinin bir süperpozisyonudur" diye ekliyor.
Dolanıklığın gerçek olduğunu kanıtlamak için araştırmacılar, Rarity-Tapster interferometresi adı verilen bir cihaz kullandılar. İlk olarak 1990'da fotonlarla gösterilen bu yöntem, ilk kez madde dalgalarına uygulandı.
Araştırmacılar, "Atomlar dağılır; sonra onları kendi üzerlerine geri yansıtıp birlikte girişim yaparsınız," diye açıklıyor. "Girişim yalnızca atom gerçekten her iki durumun da süperpozisyonundaysa gerçekleşir." Araştırmacıların ölçtüğü korelasyonlar, herhangi bir klasik teori ile açıklanamıyor.
Nihai sonuçlarına ulaşmak için ekip, yaklaşık bir ay boyunca sürekli veri topladı ve deney kurulumu için bir aydan bir yıla kadar zaman harcadı.
Bu başarı, araştırmacıların laboratuvarında yaklaşık 20 yıldır süren uzun vadeli bir hedefin gerçekleşmesi olarak nitelendirildi ve büyük bir heyecan uyandırdı.
Kuantum Mekaniği İçin Sürreal Bir Zafer
Araştırmacılara göre, bu sonuç heyecan verici olmakla birlikte, büyük ölçüde "ders kitabı" fiziği teorilerini doğrulamaya hizmet etti. Kuantum mekaniği bu tür davranışları kesin olarak öngörüyor, ancak bu durum onu daha az kafa karıştırıcı hale getirmiyor.
Araştırmacılar, "Beynimiz bunu işlemeye tam olarak hazır değil," diye ekliyor. "Atomlar küçük ölçeklerde bulanıklaşmış görünür, somut lekeler veya küçük toplar halinde değil. Ve bu gerçekten, gerçekten tuhaf görünüyor."
Ekip, testin daha güçlü bir versiyonu üzerinde şimdiden çalışıyor. Ancak araştırmacıların en önemli sonraki adım olarak tanımladığı deney, birbirinden temelde farklı parçacık türleri olan helyum-3 ve helyum-4'ün iki izotopunu çarpıştırarak hem momentum hem de kütle açısından aynı anda dolanık hale getirilen çiftler oluşturmayı içeriyor.
Araştırmacılar, "Kuantum kütleçekimi bakış açısıyla, bu tür bir durumun kütleçekimsel tanımını nasıl yazarsınız?" diye soruyor. "Genel görelilik çerçevesinde bunu hiç tarif edemezsiniz. Bu tür durumlar, kuantum kütleçekimi teorileri için gerçek bir zorluk teşkil edecektir."
