Bir bilim insanı ekibi, soğuk atomik gazların manipülatif potansiyelini iki katına çıkararak yeni bir madde türü yarattı. Bu atılım, özel olarak hazırlanmış bir gazda “yoğunluk dalgalarını” uyararak kuantum teknolojisini ilerletebilir. Bir yoğunluk dalgasının çizimi. Harald Ritsch tarafından yapılmıştır. Kredi: Innsbruck Üniversitesi/EPFL
EPFL’den araştırmacılar, atomik bir gazda “yoğunluk dalgası” adı verilen kristal yapı oluşturmanın yeni bir yolunu keşfettiler. Bu buluş, fizikteki en karmaşık problemlerden biri olan kuantum maddesinin davranışını daha iyi anlamamıza yardımcı olabilir.
EPFL’den Profesör Jean-Philippe Brantut, “Soğuk atomik gazlar, geçmişte atomlar arasındaki etkileşimleri ‘programlama’ yeteneğiyle biliniyordu” diyor. “Deneyimiz bu yeteneği ikiye katlıyor!” Innsbruck Üniversitesi’nden Profesör Helmut Ritsch’in grubuyla birlikte çalışarak, yalnızca kuantum araştırmalarını değil, gelecekteki kuantum tabanlı teknolojileri de etkileyebilecek bir buluşa imza attılar.
Yoğunluk dalgaları
Bilim adamları uzun zamandır, malzemelerin kristaller gibi karmaşık yapılar halinde nasıl kendi kendine organize olduğunu anlamakla ilgileniyorlar. Kuantum fiziğinin genellikle gizli dünyasında, parçacıkların bu tür kendi kendine örgütlenmesi, parçacıkların kendilerini düzenli, tekrar eden bir model veya “düzen” halinde düzenledikleri “yoğunluk dalgalarında” görülür; farklı renkte gömlekleri olan bir grup insanın bir sıra halinde, ancak aynı renk gömleği olan iki kişinin yan yana durmadığı bir düzende durması gibi.
Yoğunluk dalgaları, metaller, yalıtkanlar ve süper iletkenler dahil olmak üzere çeşitli malzemelerde gözlenir. Bununla birlikte, özellikle bu sıra (dalgadaki parçacıkların örüntüleri) süperakışkanlık gibi diğer organizasyon türlerinde – parçacıkların direnç göstermeden akmasına izin veren bir özellikte – meydana geldiğinde bunları incelemek zor olmuştur.
Süperakışkanlığın yalnızca teorik bir merak olmadığını belirtmekte fayda var; daha verimli enerji aktarımına ve depolanmasına yol açabilen yüksek sıcaklıkta süper iletkenlik gibi benzersiz özelliklere sahip materyaller geliştirmek veya kuantum bilgisayarları oluşturmak için büyük ilgi görüyor.
Bir Fermi gazını ışıkla ayarlamak
Bu etkileşimi keşfetmek için Brantut ve meslektaşları, lityum atomlarından oluşan ve son derece düşük sıcaklıklara kadar soğutulmuş ince bir gaz olan ve atomların birbirleriyle çok sık çarpıştığı bir “üniter Fermi gazı” yarattılar.
Araştırmacılar daha sonra bu gazı yerleştirdiler. bu gaz, ışığı uzun bir süre boyunca küçük bir alanda tutmak için kullanılan bir cihaz olan optik bir boşlukta. Optik boşluklar, gelen ışığı binlerce kez aralarında ileri geri yansıtan ve ışık parçacıklarının, yani fotonların boşluğun içinde birikmesine izin veren iki yüzlü aynalardan yapılmıştır.
Araştırmada, araştırmacılar boşluğu, Fermi gazındaki parçacıkların uzun mesafelerde etkileşime girmesine neden olmak için kullandılar: Birinci atom, aynalara seken bir foton yayar ve ardından, birinciden ne kadar uzakta olursa olsun, gazın ikinci atomu tarafından yeniden emilir. Yeterince foton yayılıp yeniden emildiğinde (deneyde kolayca ayarlanır) atomlar toplu olarak bir yoğunluk dalgası modelinde düzenlenir.
“Fermi gazında birbirleriyle doğrudan çarpışan ve aynı anda uzun bir mesafede foton alışverişi yapan atomların kombinasyonu, etkileşimlerin aşırı olduğu yeni bir madde türüdür” diyor Brantut. “Orada göreceklerimizin fizikte karşılaşılan en karmaşık malzemelerden bazılarına ilişkin anlayışımızı geliştireceğini umuyoruz.”
Referans: “Foton aracılı etkileşimlerle üniter bir Fermi gazında yoğunluk dalgası düzenlemesi” yazan Victor Helson, Timo Zwettler, Farokh Mivehvar, Elvia Colella, Kevin Roux, Hideki Konishi, Helmut Ritsch ve Jean-Philippe Brantut, 24 Mayıs 2023, Nature.
{ 10}DOI: 10.1038/s41586-023-06018-3
Çalışma, Horizon 2020 Çerçeve Programı ve Bilimsel Araştırmayı Teşvik için İsviçre Ulusal Fonu tarafından finanse edilmiştir.