'Bükülmüş' Lazer Işını, Ultrasoğuk Atomları Olağandışı Şekillere Sokabilir

Yeni madde biçimlerinin davranışını yaratmak ve kontrol etmek, özellikle ilgi çekici ve aktif bir araştırma alanıdır.

Physical Review Letters'da yayınlanan yeni bir çalışma, ultra soğuk atomları lazer ışığı kullanarak farklı şekillerde yapılandırmanın yepyeni bir yolunu ortaya çıkardı.

Mutlak sıfıra (-273°C) yakın sıcaklıklara soğutulan ultra soğuk atomlar, aksi takdirde imkânsız olan fiziksel olayları görmelerine ve keşfetmelerine izin verdikleri için araştırmacıların büyük ilgisini çekiyor.

Bu sıcaklıklarda, uzaydan daha soğuk olan atom grupları, Bose-Einstein yoğunlaşmaları (BEC) olarak bilinen yeni bir madde durumu (katı, sıvı veya gaz değil) oluşturur. 2001 yılında fizikçiler böyle bir kondensat ürettikleri için Nobel ödülüne layık görüldüler.

Bir BEC'nin tanımlayıcı özelliği, atomlarının normalde beklediğimizden çok farklı davranmasıdır. Bağımsız parçacıklar olarak hareket etmek yerine, hepsi aynı (çok düşük) enerjiye sahiptir ve birbirleriyle koordinelidir.

Bu, birbirinden farklı birçok dalga boyuna (enerjiye) sahip olabilen ve birbirinden bağımsız olarak salınan Güneş'ten gelen fotonlar (ışık parçacıkları) ile tümü aynı dalga boyuna sahip olan ve birlikte salınan lazer ışınlarındakiler arasındaki farka benzer.

Maddenin bu yeni durumunda, atomlar, bir grup bireysel parçacıktan çok tek, dalga benzeri bir yapı gibi hareket eder.

Araştırmacılar, iki farklı BEC arasında dalga benzeri girişim desenleri gösterebildiler ve hatta hareketli "BEC damlacıkları" üretebildiler. İkincisi, bir lazer ışınının atomik eşdeğeri olarak düşünülebilir.

Gordon Robb ve Gian-Luca Oppo ile gerçekleştirilen son çalışmada, bir BEC'nin ultra soğuk atomlarını manipüle etmek için özel olarak şekillendirilmiş lazer ışınlarının nasıl kullanılabileceği araştırıldı.

Nesneleri hareket ettirmek için ışık kullanma fikri yeni değil: Işık bir nesnenin üzerine düştüğünde (çok küçük) bir kuvvet uygulayabilir. Bu radyasyon basıncı, güneş ışığının büyük aynalara uyguladığı kuvvetin bir uzay aracını uzayda ilerletmek için kullanılabileceği güneş yelkenleri fikrinin arkasındaki ilkedir.

Ancak bu çalışmada, sadece atomları "itme" değil, aynı zamanda onları bir "optik anahtar" gibi döndürme yeteneğine de sahip belirli bir ışık türü kullanıldı.

Bu lazer ışınları, noktalar yerine parlak halkalar  gibi görünürler ve aşağıdaki resimde gösterildiği gibi bükülmüş (sarmal) bir dalga cephesine sahiptirler.

Fotoğraf: Işık taşıyan yörünge açısal momentumu (OAM, m) hareket ettikçe 'bükülür'. (Grant Henderson ve Allison Yao)

Doğru koşullar altında, bu tür bükülmüş ışık hareket eden bir BEC'ye parlatıldığında, içindeki atomlar, etrafında dönmeden önce ilk olarak parlak halkaya doğru çekilir.

Atomlar döndükçe, hem ışık hem de atomlar, halkadan uzağa doğru fırlatılmadan önce lazer ışınının orijinal yönünün yörüngesinde dönen damlacıklar oluşturmaya başlar.

Damlacık sayısı, hafif bükülme sayısının iki katına eşittir.

Fotoğraf: Bükülmüş ışık, hareket eden bir BEC'nin üzerine parlar ve onu bir halka şeklinde şekillendirerek, onu ışığın yönünde dönen bir dizi BEC damlacığına ayırmadan önce serbest bırakıp bükülmeden önce. (Grant Henderson ve Allison Yao)

Atomik damlacıkların halkadan kaçmasını bile önleyebilirdik, böylece çok daha uzun süre yörüngede kalmaya devam ederek bir tür ultra-soğuk atom akımı üretebilirlerdi.

Ultrasoğuk atomlar aracılığıyla bükülmüş ışığın parıldamasına yönelik bu yaklaşım, maddeyi daha fazla alışılmamış ve karmaşık şekillere dönüştürmenin ve kontrol etmenin yeni ve basit bir yolunu açar.

BEC'lerin en heyecan verici potansiyel uygulamalarından biri, ultra soğuk atomların madde dalgalarının, elektronik devrelerin ve transistörler ve diyotlar gibi cihazların gelişmiş eşdeğerlerini oluşturmak için optik ve/veya manyetik alanlar tarafından yönlendirildiği ve manipüle edildiği "atomtronik devrelerin" üretilmesidir.

Bir BEC'nin şeklini güvenilir bir şekilde manipüle edebilmek, nihayetinde atomtronik devrelerin oluşturulmasına yardımcı olacaktır.

Burada bir "atomtronik süper iletken kuantum girişim cihazı" gibi hareket eden ultra soğuk atomlarımız, geleneksel elektroniklerden çok daha üstün cihazlar sağlama potansiyeline sahiptir.

Ancak en heyecan verici olanı, yöntemin normal malzemelerle tasarlanması imkânsız olan karmaşık atomtronik devreler üretilmesine olanak sağlamasıdır.

Bu, aksi takdirde ölçülemez olabilecek küçük manyetik alanları ölçebilen, son derece kontrol edilebilir ve kolayca yeniden yapılandırılabilir kuantum sensörlerin tasarlanmasına yardımcı olabilir.

Bu tür sensörler, temel fizik araştırmalarından yeni materyaller keşfetmeye veya beyinden gelen sinyalleri ölçmeye kadar uzanan alanlarda faydalı olacaktır.