Maddeyi Görünmez Hale Getiren Kuantum Etkisi Sonunda Açıklandı

Onlarca yıl önce tahmin edilen tuhaf bir kuantum etkisi nihayet kanıtlandı. Bir gaz bulutunu yeterince soğuk ve yoğun hale getirirseniz, onu görünmez yapabilirsiniz.

Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'ndeki (MIT) bilim adamları, lityum gazını daha az ışık saçacak kadar düşük yoğunluklara ve sıcaklıklara sıkıştırmak için lazerler kullandılar. Bulutu mutlak sıfıra (eksi 459,67 Fahrenheit derece veya eksi 273,15 santigrat derece) daha da yaklaştırabilirlerse, tamamen görünmez olacağını belirtiyorlar.

Tuhaf etki, Pauli blokajı adı verilen kuantum mekaniksel sürecin ilk özel örneğidir.

MIT'de fizik profesörü olan kıdemli yazar Wolfgang Ketterle, "Gözlemlediğimiz şey, Pauli blokajının çok özel ve basit bir biçimidir; bu, bir atomu tüm atomların doğal olarak yapacağı şeyden, ışığı dağıtmaktan alıkoymaktır" dedi. Bu etkinin var olduğuna dair ilk net gözlem ve fizikte yeni bir fenomeni gösteriyor" dedi.

Yeni teknik, kuantum bilgisayarlarda bilgi kaybını önlemek amacıyla ışığı bastıran malzemeler geliştirmek için kullanılabilir.

Pauli blokajı, ilk olarak 1925'te ünlü Avusturyalı fizikçi Wolfgang Pauli tarafından formüle edilen Pauli dışlama ilkesinden gelir. Pauli, protonlar, nötronlar ve elektronlar gibi, birbiriyle aynı kuantum durumuna sahip tüm sözde fermiyon parçacıklarının, birbirleriyle aynı kuantum durumunda bulunamayacağını öne sürdü.

Kuantum düzeyinde yalnızca sınırlı sayıda enerji durumu bulunduğundan, atomlardaki elektronlar kendilerini atom çekirdeklerinin etrafında daha da uzağa, kabuklara yığılmaya zorlanır.

Bu durum aynı zamanda, ayrı atomların elektronlarını da birbirinden ayrı tutar. Ünlü fizikçi Freeman Dyson'ın yazdığı 1967 tarihli bir makaleye göre, aksi durum olsaydı, dışlama ilkesi olmadan tüm atomlar muazzam bir enerji salınımıyla patlarken birlikte çökerdi.

Bu sonuçlar sadece periyodik tablodaki elementlerin şaşırtıcı varyasyonunu üretmekle kalmıyor. Aynı zamanda toprağa bastığımızda yere doğru çekilmemizi ve Dünya'nın merkezine düşmemizi de engeller.

Dışlama ilkesi bir gazdaki atomlar için de geçerlidir. Genellikle, bir gaz bulutundaki atomların sıçrayacakları çok fazla alan vardır.

Nispeten sıcak bir gaz bulutuna bir foton veya hafif parçacık gönderirsek, çarptığı herhangi bir atom onunla etkileşime girebilir, gelen momentumu emebilir, farklı bir enerji seviyesine geri döner ve foton saçılımı oluşur.

Ama bir gazı soğutursak karşımıza bambaşka bir hikaye çıkar. Bu durumda atomlar enerji kaybederek mevcut en düşük durumların hepsini doldurur ve Fermi denizi adı verilen bir madde türü oluşturur. Parçacıklar artık birbirleri tarafından sarılmıştır, daha yüksek enerji seviyelerine çıkamazlar veya daha düşük enerji seviyelerine inemezler. Parçacıklar bir noktadan sonra artık ışıkla etkileşime girmez.

Ketterle, "Bir atom, ancak başka bir enerji seviyesine geçerek kuvveti emebilirse bir fotonu saçabilir. Diğer enerji seviyeleri doluysa, artık emme ve fotonu dağıtma yeteneğine sahip değildir. Böylece atom şeffaf hale gelir" şeklinde özetledi.

Ancak bir atom bulutunu bu duruma getirmek çok zordur. Sadece inanılmaz derecede düşük sıcaklıklara ihtiyaç duymaz, aynı zamanda yoğunluk için atomların sıkıştırılması gerekir.

Bunun için araştırmacılar lazer ışını içindeki fotonları, yalnızca kendilerine zıt yönde hareket eden atomlarla çarpıştırarak, yani atomları yavaşlatarak ve dolayısıyla soğumasını sağlayarak bu düzeneği kurdular. Bu yöntem sayesinde lityum bulutlarını mutlak sıfırın hemen üzerinde olan 20 mikrokelvine kadar dondurdular.

Ardından, atomları santimetre küp başına kabaca 1 katrilyon atomluk rekor bir yoğunluğa sıkıştırmak için ikinci bir lazer kullandılar.

Daha sonra, aşırı soğutulmuş atomlarının ne kadar gizlendiğini görmek amacıyla, saçılan fotonların sayısını saymak için aşırı duyarlı bir kamera kullanarak, gazın sıcaklığını veya yoğunluğunu değiştirmeyecek şekilde dikkatlice kalibre edilmiş üçüncü ve son bir lazer ışını yolladılar.

Teorilerinin öngördüğü gibi, soğutulmuş ve sıkıştırılmış atomlar, oda sıcaklığındakilere göre yüzde 38 daha az ışık yayarak, önemli ölçüde daha az görünür hale geldi.

Diğer iki bağımsız ekip de teoriye ispatlayabilmek amacıyla başka iki gazı, potasyum ve stronsiyumu soğuttu. Bu araştırma ekipleri de benzer sonuçlara ulaştılar. Pauli'nin engellemesini gösteren üç makalenin tümü 18 Kasım'da Science dergisinde yayınlandı.

Artık araştırmacılar Pauli'nin engelleme etkisini ispatladı. Bilim insanları görünmez malzemeler yapmak için bu bilgileri kullanmaya başlayacaklar.

Bu araştırma kuantum bilgisayarların verimliliğini artırmak için de yararlı olacaktır. Kuantum bilgisayarlarda ışık saçılımı nedeniyle oluşan veri kaybını önlemede önemli bir adım olabilir.