Aralarında Bilkent Ünv. Fizik Bölümü mezunu Mete Atatüre’nin de bulunduğu bir grup fizikçi, daha önce imkânsız olduğu belirtilen, tek bir ışık parçacığının sıkışmasını ölçümlemeyi başardı. Sıkıştırma, kuantum fiziğinin ilginç bir fenomenidir; ışığın düşük-gürültülü özel bir formunu yaratarak kütleçekim dalgaları gibi zayıf sinyalleri yakalamak için potansiyel teknoloji arz eder. Işığı sıkıştırmanın standart yöntemi, -tercihen- lineer olmayan kristal bir maddeye lazer atımı göndermek ve istenilen etkinin ortaya çıkması şeklindedir. Beri yandan tek bir atomu çok az miktardaki ışıkla uyararak da benzer bir etkinin ortaya çıkacağını öngören bir teori de 30 yıldan fazla süredir varlığını sürdürmektedir. Teoriye göre atomdan saçılan ışık da benzer şekilde sıkışmalıdır. Ancak 1981 yılına kadar atılmış sağlam matematiksel temellerine rağmen, rezonans floresanın sıkıştırılması olarak bilinir, bu etkiyi deneysel olarak gözlemlemek o denli zordur ki, bir kuantum fiziği kitabında bunu ölçmeye çalışmanın beyhude bir çaba olduğundan bahsedilmiştir.
Bir grup fizikçi, Nature dergisinde yayımladıkları makalede, yarı iletken kuantum nokta(quantumdot) olarak bilinen yapay atomlar kullanarak ışık parçacıklarının -fotonların- sıkışmasını deneysel olarak göstermeyi başardı. Gelişmiş optik ve ölçme teknolojilerinin nimetlerinden yararlanan çalışma ekibi, saçılan ışığı gözlemlemeyi başararak, sıkışma etkisinin gerçekleştiğini kanıtlamış oldu. Cavendish Laboratuvarı Fizik Bölümü’nden Mete Atatüre ve Cambridge Üniversitesi’nden bir meslektaşının liderlik yaptığı çalışma hakkında Atatüre şöyle diyor: “Bu etkinin gözlemi teori açısından son derece önemliydi, ancak şimdiye dek başarılamamıştı; hatta kimine göre de başarmanın bir yolu yoktu. Biz bunu gözlemlemeyi başardık, çünkü elimizde optik özellikleri sıradan atomlardan çok daha iyi olan yapay atomlar mevcut. Atomlar sayesinde fotonların temel özelliklerini incelemek için gerekli şartlara ulaşabildik ve kuantum fiziğinin garip fenomeni ve foton hakkında sahip olduğumuz tüm beklentilere ters olan tek bir foton düzeyince sıkışmanın gerçekten olduğunu gözlemledik.
Kuantum fiziğinin birçok olgusunda olduğu gibi, sıkışmanın ardında da şaşırtıcı prensipler yatıyor.
İlk olarak ışık parçacığının varlığı, ona eşlik eden elektromanyetik dalgalanmaların varlığını da beraberinde getirir ve bu dalgalanmalar “gürültü” olarak tanımlanır. Işık yoğunlaştıkça gürültü artar; sönükleştikçe gürültü azalır. Fakat belirli bir kuantum düzeyde durum garip bir şekilde farklılaşır: Vakum dalgalanması olarak adlandırılan bu özel durumda, ışık olmadığında bile elektromanyetik gürültü varlığını sürdürür. Klasik fiziğin ışık yoksa mutlak karanlık vardır görüşünü ortadan kaldıran kuantum fiziği, bahsi geçen dalgalanmaların ışık olmasa bile var olacağını söyler.
“Düz bir yüzeye baktığımızda, bize gerçekten düz ve pürüzsüz gözükür. Ancak yüzeye yeterince yaklaşırsak gerçekten de düz olmadığını görürüz” diyen Atatüre, “aynı durum vakum titreşimleri için de geçerli. Kuantum dünyasına indiğimizde böyle bir durumla karşılaşırız; ortamda foton yokmuş gibi görünür, fakat yine de hiçbir şeyden biraz daha fazla şey vardır” diye ekliyor.
Önemli bir nokta da vakum titreşimlerinin daima var olacağı ve gürültüye temel bir limit koyacağıdır. Mükemmel ışık kaynağı olarak bildiğimiz lazerler bile bu temel seviyede dalgalanma gürültüsü taşımak zorundadır. Ancak işler bu noktadan sonra daha da garip bir hal alıyor. Doğru kuantum durumlarında, bahsi geçen temel limit seviyesi daha da aşağıya çekilebilir. İşte hiçbir şeyden daha az ya da vakumdan düşük bu seviyeye fizikçiler sıkışma demektedir.
Cambridge’de yapılan deneyde sönük lazer atımları, yapay atomları olan kuantum noktaya gönderilerek atomu uyardı ve uyarılan atom da foton emisyonu(yayılımı) yapmaya başladı. Normalde bu fotonik aktiviteye eşlik eden gürültünün vakum durumundan daha yüksek seviyede olması gerekir, ancak çok zayıf uyarılmalarda ışığa eşlik eden gürültü vakum dalgalanmalarının altında kalır.
Bunun sebebini açıklamak için yüksek derecede karmaşık kuantum fiziği gerekir. Ancak en temelde, bir parçacığın birbirine bağlı iki özelliği olduğundan ve birinde yapılacak ölçümün diğerini belirsizleştireceğinden bahseden Heisenberg’in belirsizlik ilkesiyle doğrudan ilintili bir fenomendir.
Klasik fiziğin hâkim olduğu dünyada bu kural uygulanamaz. Eğer bir cisim hareket halindeyse konumunu ve momentumunu aynı anda kolaylıkla ölçebiliriz. Ancak kuantum dünyasında konum ve momentum birbirleriyle bağlantılıdır. Konumu ölçmeye çalışırsak momentum belirsiz kalır; momentum ölçüldüğünde ise konum belirsizdir.
Deneylerinde bu ilkeden faydalanan araştırmacılar neyin ölçülüp neyin ölçülemeyeceği arasında bir düzen oturttular. Kuantum noktadan zayıf lazer ışığı saçarak elektromanyetik alanın gürültüsü, vakum dalgalanma eşiği altındaki son derece kesin ve düşük bir seviyeye indirgendi. Bunu yapabilmenin bedeli de Heisenberg ilkesi gereğince elektromanyetik alanın diğer özelliklerinin ölçülememesi olacaktır. Bu da yine Heisenberg ilkesiyle tutarlı şekilde hiçbir şeyden az seviyede gürültünün ortaya çıkabilme olasılığına kapı aralar.Belirsizlikle elektromanyetik alandaki hangi dalgalanmaların ölçülebileceği bir grafiğe dökülürse ortaya bir şekil çıkar: Bir taraftaki belirsizlik azaldığında, diğer kısımlarda genişlemektedir. Ortaya çıkan bu basık veya sıkışmış şekil de sıkışmış ışığa dair işarettir.
Atatüre, çalışmanın temel amacının tek bir fotonu bu şekilde gözlemlemek olduğunu çünkü daha önce böyle bir gözlemin yapılamadığını vurgulayarak, “Yaptığımız tıpkı Plüton’a daha yakından bakmak ya da pentakuarkları gözlemlemek gibi. Tüm bunların şimdilik teknolojik karşılıkları yok, ancak asıl amacımız zaten bildiklerimizi artırmak; bunları yapıyoruz çünkü insan olarak meraklı ve yeni keşifler yapmaya arzuluyuz. Bilim de en temelde budur zaten” diye ekliyor.
Kaynaklar:
– Schulte, CHH, et al. Quadrature squeezed photons from a two-level system. Nature (2015). DOI: 10.1038/nature14868.
– http://www.cam.ac.uk/research/news/scientists-squeeze-light-one-particle-at-a-time#sthash.wbBlGUZi.dpuf
