Grafenden normalde yasak olan emisyonlar, gelen ışıktaki kuantum dalgalanmalarını açığa çıkarabilir

Voltaj dalgalanmaları, ışık dalgalanmaları, sıcaklık dalgalanmaları; herhangi bir dalgalanma sorun yaratır ve bu nedenle istenmeyen bir durumdur. Sadece rahatsızlığa neden olmazlar; mühendislik ve tıbbi uygulamalarda ölçümlerin doğruluğunu etkiler veya kontrollerde hatalara neden olur. Kuantum olgusunun en küçük seviyesinde dahi dalgalanmaların istenmeyen bir durum olduğu düşünülmektedir.

Peki ya bazı dalgalanmalar yararlı hale getirilebilirse? Hindistan Teknoloji Enstitüsü Bombay’da (IIT Bombay) yapılan teorik bir çalışma, ışıktaki yapılandırılmış kuantum dalgalanmalarının yararlı kuantum optik sinyallerini algılamak ve üretmek için kullanılabileceğini gösteriyor.

Kartik Prabhu ve IIT Bombay Fizik Bölümü’nden profesör Gopal Dixit, kuantum materyali grafeni sensör olarak kullanarak ışıktaki kuantum dalgalanmalarını tespit etmenin yeni bir yolunu önerdiler.

Çalışmaları, şu dergide yayınlandı: Fiziksel İnceleme Bözel olarak hazırlanmış kuantum ışığı grafen üzerine parlatıldığında, grafen ile etkileşiminin, gelen ışığın kuantum doğası hakkında bilgi ortaya çıkarabildiğini gösteriyor. Ayrıca, gelen ışıktaki kuantum dalgalanmalarını dikkatli bir şekilde tasarlayarak, özel olarak tasarlanmış yüksek frekanslı emisyon üretebileceğimizi de gösteriyor.

Dixit, “Çalışmamız ilk kez kuantum ışığını, bir kuantum malzemesini ve aşırı ultraviyole frekans aralığında yüksek harmonik üretimi bir araya getiriyor” diyor. Yüksek harmonik üretimi, elektron dinamiklerini görüntülemek için yeni ortaya çıkan bir tekniktir ve karmaşık kimyasal reaksiyonların gerçek zamanlı olarak izlenmesini mümkün kılar.

Yöntem, orijinal lazerin frekansının tam tamsayı katı olan bir frekansla, attosaniye süresinde (saniyenin milyarda birinin milyarda biri) çok kısa bir darbe elde etmek için soy gazlar veya belirli katılar üzerine kısa, yoğun lazer darbelerinin parlamasını içerir.

Işıkta kuantum dalgalanmaları

Klasik fizikte ışık bir dalga olarak ele alınır ve yoğunluğu (genlik) ve dalganın tepe noktalarındaki ilk kayma (faz) ile tanımlanır. Zaman, uzay ve yoğunluk açısından çok küçük seviyelere indikçe kuantum fiziği alanına giriyoruz. Burada ışık, her ikisi için de bir dizi belirsizlikle birlikte yoğunluk ve faz değerleri açısından tanımlanmaktadır.

Tam bir boşlukta veya zifiri karanlıkta bile, bir noktadaki enerji miktarında geçici ve rastgele değişiklikler olur. Heisenberg’in belirsizlik ilkesi, belirli matematiksel ilişkilere sahip iki niceliğin mutlak kesinlikle bilinemeyeceğini belirtir. Örneğin, bir parçacığın konumunu veya momentumunu kesin olarak belirleyebiliriz, ancak ikisini aynı anda belirleyemeyiz.

Belirsizlik ışıkta da mevcut. Belirsizliğin neden olduğu bu bozukluklara kuantum dalgalanmaları adı verilir. Bu belirsizlik, atom saatleri (atom titreşimlerini ölçerek zamanı tutan) veya LIGO’daki (Lazer İnterferometre Yerçekimi Dalgası Gözlemevi) yerçekimsel dalga ölçümleri gibi son derece hassas ölçümleri sınırlar.

Lazer ışığı için kuantum dalgalanmaları veya belirsizlik, yoğunluk ve faz arasında eşit şekilde yayılır. X ekseninin yoğunluğu, y ekseninin ise fazı temsil ettiği bir diyagramda, eşit şekilde dağılmış kuantum dalgalanmaları bir belirsizlik çemberi oluşturur.

Lazer ışığını doğrusal olmayan kristaller adı verilen belirli malzemelerden geçirerek, diğerinin belirsizliğini artırma pahasına bir parametrenin belirsizliğini azaltabilirsiniz. Faz yoğunluğu grafiğinde mükemmel daire bir yönde sıkıştırılırken diğer yönde uzar. Bu tür ışığa sıkıştırılmış ışık denir.

Kuantum dalgalanmalarını algılama

IIT Bombay çalışması, bir bileşenin frekansı diğerinin iki katı olan, zıt yönlerde dönen iki dairesel polarize frekans bileşeniyle ışıkla aydınlatılan grafeni dikkate alıyor. Işık, gelen ışığın frekansından birkaç kat daha yüksek frekanslara sahip (yüksek harmonik üretim) yüksek frekanslı ışık üretmek için grafen ile etkileşime girer.

Gelişmiş kuantum dalgalanmaları olmayan ışık için, bazı yüksek harmonik frekanslar üretilebilir ve bazıları (özellikle gelen ışığın temel frekansının üç katının katları) yasaktır.

Araştırmacılar, sürüş farının sıkıştırılmış kuantum durumunda olduğunu (kuantum dalgalanmalarını arttırdığını) düşündüklerinde, sonuçlar kuantum dalgalanmalarının aksi takdirde yasaklanacak sinyalleri etkinleştirdiğini gösteriyor. Teorik analiz, kuantum dalgalanmalarının yayılan ışığın polarizasyonunu etkilediğini ortaya çıkardı.

Araştırmacılar, gelen ışık parametrelerinin farklı varyasyonlarını ve kombinasyonlarını değerlendirdi ve yayılan ışığın spektrumunu analiz etti. Her kombinasyonun belirli özelliklere sahip ışık yaydığını buldular; bu da yayılan ışığın, gelen ışığın belirli özelliklerini algılamak için kullanılabileceğini gösteriyor.

Yayılan ışığın temel matematiksel işlemi, gelen ışığın hangi frekans bileşeninin kuantum dalgalanmaları taşıdığını ortaya çıkarabilse de, kuantum bileşeninin kendisi hakkında bilgi ortaya çıkaramadı. Kuantum dalgalanmaları hakkındaki bilgileri ortaya çıkarmak için araştırmacılar verileri daha da analiz etti.

Yayılan ışığın yasak frekans bileşenlerinin, gelen ışıktaki kuantum dalgalanmalarının yoğunluğu ve polarizasyonu hakkında farklı bilgiler taşıdığını gösterdiler. Bu bilgi, gelen ışıktaki kuantum dalgalanmalarını tespit etmek için deneysel olarak gözlemlenebilir bir parametre sağlar.

Dixit, “Önerilen yaklaşımın önemli bir özelliği, ultra hızlı doğasıdır. Yüksek harmonik üretim, optik bir döngünün çok küçük bir bölümünde meydana gelir ve kuantum ışık ile madde arasındaki etkileşimin son derece kısa zaman ölçeklerinde keşfedilmesine olanak tanır” diyor.

Her ne kadar mevcut çalışma grafene odaklansa da, altta yatan fikir daha geniş bir kuantum malzemeleri ve doğrusal olmayan optik sistemler sınıfıyla ilgili olabilir. Dixit ileriye dönük olarak farklı kuantum materyallerini keşfetmeyi planlıyor. Planlar ayrıca bir makine öğrenimi modelini eğitmek için veri kümeleri oluşturmayı ve konsepti genelleştirmek için yapay zeka uygulamayı da içeriyor.