MIT fizikçileri, uzayda serbestçe etkileşime giren bireysel atomların ilk görüntülerini yakaladılar. Resimler, şimdiye kadar tahmin edilen ancak asla doğrudan gözlemlenmeyen “serbest menzilli” parçacıklar arasındaki korelasyonları ortaya koyuyor. Bugün dergide yayınlanan bulguları Fiziksel İnceleme Mektuplarıbilim adamlarının gerçek uzayda daha önce hiç görülmemiş kuantum fenomenlerini görselleştirmelerine yardımcı olacaktır.
Görüntüler, ekip tarafından geliştirilen ve bir atom bulutunun serbestçe hareket etmesine ve etkileşime girmesine izin veren bir teknik kullanılarak çekildi. Araştırmacılar daha sonra atomları pistlerinde kısaca donduran bir ışık kafesi açarlar ve askıda atomları hızlı bir şekilde aydınlatmak için ince ayarlanmış lazerler uygular ve atomların doğal olarak dağılmasından önce pozisyonlarının bir resmini oluştururlar.
Fizikçiler, farklı atom türlerindeki bulutları görselleştirmek için tekniği uyguladılar ve bir dizi görüntüleme ilkini kopardı. Araştırmacılar, bir dalga oluşturmak için bir kuantum fenomeninde toplanan “bozonlar” olarak bilinen atomları doğrudan gözlemlediler. Ayrıca, boş alanda eşleştirme eyleminde “fermyonlar” olarak bilinen atomları yakaladılar – süperiletkenliği sağlayan anahtar bir mekanizma.
MIT Thomas A. Frank Fizik Profesörü Martin Zwierlein, “Bu ilginç atom bulutlarında ve birbirleriyle ilişkili olarak ne yaptıklarını görebiliyoruz, ki bu güzel,” diyor MIT FRANK FRANK FRANS FRANK Profesörü Martin Zwierlein.
Aynı dergi sayısında, diğer iki grup, MIT’deki John D. MacArthur Fizik Profesörü Nobel Laureate Wolfgang Ketterle liderliğindeki bir ekip de dahil olmak üzere benzer görüntüleme tekniklerini kullanıyor. Ketterle’nin grubu, Paris’teki École Normale Supérieure’den, Zwierlein’in laboratuvarındaki eski bir postdoc olan Tarik Yefsah’ın liderliğindeki diğer grup, bozonlar arasında gelişmiş çift korelasyonları görselleştirdi.
Zwierlein ve meslektaşları tarafından yapılan çalışma, MIT lisansüstü öğrencileri Ruixiao Yao, Sungjae Chi ve Mingxuan Wang ve MIT Fizik Yardımcısı Richard Fletcher tarafından birlikte yazılmıştır.
Bulutun içinde
Tek bir atom, bir nanometrenin yaklaşık onda biridir, bu da bir insan saç ipliğinin kalınlığının milyonunda. Saçların aksine, atomlar kuantum mekaniği kurallarına göre davranır ve etkileşir; Atomların anlaşılmasını zorlaştıran kuantum doğasıdır. Örneğin, bir atomun nerede olduğunu ve ne kadar hızlı hareket ettiğini aynı anda bilemeyiz.
Bilim adamları, lazer ışığının atom bulutuna parladığı ve gölgesini bir kamera ekranına döktüğü absorpsiyon görüntüleme de dahil olmak üzere bireysel atomları görüntülemek için çeşitli yöntemler uygulayabilirler.
Zwierlein, “Bu teknikler bir atom bulutunun genel şeklini ve yapısını görmenize izin veriyor, ancak bireysel atomların kendileri değil.” “Gökyüzünde bir bulut görmek gibi, ama bulutu oluşturan bireysel su molekülleri değil.”
O ve meslektaşları, boş alanda etkileşime giren atomları doğrudan görüntülemek için çok farklı bir yaklaşım benimsedi. “Atom tarafından çözülmüş mikroskopi” olarak adlandırılan teknikleri, önce bir lazer ışını tarafından oluşturulan gevşek bir tuzakta bir atom bulutunu korumayı içerir.
Bu tuzak atomları özgürce etkileşime girebilecekleri bir yerde içerir. Araştırmacılar daha sonra atomları pozisyonlarındaki donduran bir ışık kafesi üzerinde yanıp söner. Daha sonra, ikinci bir lazer, floresanı bireysel pozisyonlarını ortaya çıkaran asılı atomları aydınlatır.
Zwierlein, “En zor kısım, atomlardan ışığı optik kafesten kaynatmadan toplamaktı.” Diyor. “Bu atomlara bir alev alıyorsanız, bundan hoşlanmayacağını hayal edebilirsiniz. Bu yüzden, yıllar boyunca bunun nasıl yapılacağına dair bazı hileler öğrendik.
“Ve bunu ilk kez yaptık, burada atomların hareketini güçlü bir şekilde etkileşime girerken aniden dondurabilir ve onları birbiri ardına görebiliriz. Bu tekniği daha önce yapılanlardan daha güçlü kılan şey budur.”
Demet ve çiftler
Ekip, hem bozonlar hem de fermiyonlar arasındaki etkileşimleri doğrudan gözlemlemek için görüntüleme tekniğini uyguladı. Fotonlar bir bozon örneğidir, elektronlar bir tür fermiyondur. Atomlar, protonlarının, nötronlarının ve elektronlarının toplam sayısının eşit mi yoksa garip olup olmadığı ile belirlenen toplam dönüşlerine bağlı olarak bozon veya fermyon olabilir. Genel olarak, bozonlar çekerken, fermiyonlar iter.
Zwierlein ve meslektaşları önce sodyum atomlarından oluşan bir bozon bulutu görüntülediler. Düşük sıcaklıklarda, bir bozon bulutu, Bose-Einstein kondensatı olarak bilinen şeyi oluşturur-tüm bozonların bir ve aynı kuantum durumunu paylaştığı bir madde durumu. MIT’s Ketterle, 2001 Nobel Fizik Ödülü’nü paylaştığı sodyum atomlarının Bose-Einstein kondensinden ilk üretenlerden biriydi.
Zwierlein’in grubu artık kuantum etkileşimlerini gözlemlemek için bulut içindeki bireysel sodyum atomlarını görüntüleyebiliyor. Bozonların birbirine yakın olma olasılığı artan bir olasılıkla birlikte “toplanması” gerektiği uzun zamandır tahmin edilmektedir.
Bu demetleme, bir ve aynı kuantum mekanik dalgayı paylaşma yeteneklerinin doğrudan bir sonucudur. Bu dalga benzeri karakter ilk olarak fizikçi Louis de Broglie tarafından tahmin edildi. Kısmen modern kuantum mekaniğinin başlangıcına yol açan “de broglie dalgası” hipotezidir.
Zwierlein, “Bu dalga benzeri doğadan dünya hakkında çok daha fazla şey anlıyoruz” diyor. “Ama bu kuantum, dalga benzeri etkileri gözlemlemek gerçekten zor. Ancak, yeni mikroskobumuzda bu dalgayı doğrudan görselleştirebiliriz.”
Görüntüleme deneylerinde, MIT ekibi, ilk kez yerinde, bir kuantum paylaştıklarında, korelasyonlu de broglie dalgasını bir araya getirdiğini görebildi. Ekip ayrıca iki tür lityum atomu bulutu da görüntüledi. Her atom türü, doğal olarak kendi türünü iten, ancak diğer belirli fermant tipleriyle güçlü bir şekilde etkileşime girebilen bir fermiyondur.
Bulutu görüntüleydiklerinde, araştırmacılar gerçekten de, zıt fermiyon tiplerinin etkileşime girdiğini ve fermiyon çiftleri oluşturduğunu – ilk kez doğrudan görebildikleri bir bağlantı.
“Bu tür bir eşleşme, insanların deneyleri açıklamak için ortaya çıktığı matematiksel bir yapının temelidir. Ancak bu tür resimleri gördüğünüzde, bir fotoğrafta, matematik dünyasında keşfedilen bir nesne gösteriyor.” “Bu yüzden fiziğin fiziksel şeylerle ilgili olduğunu hatırlatıyor. Bu gerçek.”
İleride, ekip görüntüleme tekniklerini “kuantum salonu fiziği” gibi daha egzotik ve daha az anlaşılmış fenomenleri görselleştirmek için uygulayacak – elektronlar etkileşen elektronlar manyetik bir alanın varlığında yeni ilişkili davranışlar sergiliyor.
Zwierlein, “Teori gerçekten kıllı hale geliyor-insanların tam teşekküllü bir teoriyi yazabilmek yerine resim çizmeye başladığı için onu tam olarak çözemiyorlar.” “Şimdi Quantum Hall eyaletlerinin bu karikatürlerinin aslında gerçek olup olmadığını doğrulayabiliriz. Çünkü onlar oldukça tuhaf durumlar.”
