MIT fizikçileri kuantum fiziğindeki en ünlü deneylerden birinin idealize edilmiş bir versiyonunu gerçekleştirmiştir. Bulguları, atom düzeyinde hassasiyetle, ışığın ikili ama kaçak doğasını göstermektedir. Ayrıca Albert Einstein’ın bu özel kuantum senaryosu hakkında yanlış olduğunu doğrularlar.
Söz konusu deney, ilk olarak 1801’de İngiliz bilim adamı Thomas Young tarafından hafif bir dalga gibi davrandığını göstermek için gerçekleştirilen çift katlı deneydir. Bugün, kuantum mekaniğinin formülasyonu ile, çift ölümcül deney artık kafa çizen bir gerçekliğin şaşırtıcı derecede basit bir şekilde gösterilmesi ile biliniyor: bu ışık hem bir parçacık hem de bir dalga olarak var.
Yabancı hala, bu ikilik aynı anda gözlemlenemez. Parçacıklar şeklinde ışığı görmek, dalga benzeri doğasını anında gizler, ya da tam tersi.
Orijinal deney, bir ekrandaki iki paralel yarıktan bir ışık demeti parlatmayı ve ikinci, uzak bir ekranda oluşan deseni gözlemlemeyi içeriyordu. Doğrudan bir yol izleyen paintballlar gibi parçacıklar, yani fotonlar olarak ışığın var olduğunu ima eden iki örtüşen ışık noktası görmeyi bekleyebilirsiniz.
Ancak bunun yerine, ışık ekranda, bir havuzdaki iki dalgalanma buluştuğunda olana benzer bir parazit deseninde alternatif parlak ve koyu çizgiler üretir. Bu, ışığın bir dalga gibi davrandığını gösterir. Tuhaf bile, kişi ışığın hangi yarık hareket ettiğini ölçmeye çalıştığında, ışık aniden parçacıklar gibi davranır ve parazit paterni kaybolur.
Çift ölümcül deney, bugün çoğu lise fizik sınıfında kuantum mekaniğinin temel prensibini göstermenin basit bir yolu olarak öğretilmektedir: ışık da dahil olmak üzere tüm fiziksel nesneler aynı anda parçacıklar ve dalgalardır.
Yaklaşık bir asır önce, deney fizikçiler Albert Einstein ve Niels Bohr arasındaki dostça bir tartışmanın merkezindeydi. 1927’de Einstein, bir foton parçacığının iki yarıktan sadece birinden geçmesi gerektiğini ve işlemde, uçtukça bir yaprağı hışırdayan bir kuş gibi bu yarık üzerinde hafif bir kuvvet ürettiğini savundu.
Bir girişim paterni gözlemlerken böyle bir kuvveti tespit edebileceğini, böylece ışığın parçacığını ve dalga doğasını aynı anda yakalayabileceğini öne sürdü. Buna karşılık, Bohr kuantum mekanik belirsizlik prensibini uyguladı ve foton yolunun saptanmasının parazit paternini yıkayacağını gösterdi.
Bilim adamları o zamandan beri çift ölümcül deneyin birden fazla versiyonunu gerçekleştirdiler ve hepsinin çeşitli derecelere kadar Bohr tarafından formüle edilen kuantum teorisinin geçerliliğini doğruladılar. Şimdi, MIT fizikçileri bugüne kadar çift ölümcül deneyin en “idealize” versiyonunu gerçekleştirdiler. Sürümleri deneyi kuantum temellerine indirir. Bireysel atomları yarık olarak kullandılar ve zayıf ışık kirişleri kullandılar, böylece her atom en fazla bir fotonda dağıldı.
Atomları farklı kuantum durumlarında hazırlayarak, fotonların yolu hakkında hangi bilgileri elde ettiklerini değiştirebildiler. Araştırmacılar böylece kuantum teorisinin tahminlerini doğruladılar: ışığın yolu (yani parçacık doğası) hakkında ne kadar çok bilgi elde edildi, parazit paterninin görünürlüğü o kadar düşüktü.
Einstein’ın neyi yanlış yaptığını gösterdiler. Bir atom geçen bir foton tarafından “hışırdığında” olduğunda, dalga paraziti azalır.
John D. MacArthur Fizik Profesörü ve MIT ekibinin lideri Wolfgang Ketterle, “Einstein ve Bohr bunun tek atomlar ve tek fotonlarla böyle bir deney yapmanın mümkün olduğunu hiç düşünmezlerdi” diyor. “Yaptığımız şey idealize edilmiş bir Gedanken deneyi.”
Sonuçları dergide yayınlandı Fiziksel İnceleme Mektupları. Ketterle’nin MIT ortak yazarları arasında MIT’in Fizik Bölümü, Elektronik Araştırma Laboratuvarı ve MIT-Harvard Merkezi Ultrakold Atomları için ilk yazar Vitaly Fedoseev, Hanzhen Lin, Yu-kun Lu, Yoo Kyung Lee ve Jiahao Lyu yer alıyor.
Soğuk hapsetme
Ketterle’nin MIT’deki grubu, mutlak sıfırın hemen üzerindeki sıcaklıklara süper soğudukları atomlar ve moleküller ile deneyler ve lazer ışığı ile sınırladıkları konfigürasyonlarda düzenler. Bu ultra kol, özenle ayarlanmış bulutlar, sadece kuantumda meydana gelen egzotik fenomenler, tek atomlu ölçek ortaya çıkabilir.
Yakın tarihli bir deneyde, ekip, hafif saçılmanın ultra kold atomlarından inşa edilen malzemelerin özelliklerini nasıl ortaya çıkarabileceğini inceleyerek, görünüşte ilgisiz bir soruyu araştırıyordu.
Fedoseev, “Bu saçılma işleminin bir parçacık veya dalga gibi olduğu derecesini ölçebileceğimizi fark ettik ve bu ünlü deneyi çok idealize edilmiş bir şekilde gerçekleştirmek için bu yeni yöntemi hızla uygulayabileceğimizi fark ettik.”
Yeni çalışmalarında ekip, Microkelvin sıcaklıklarına soğudukları 10.000’den fazla atomla çalıştı. Dondurulmuş atomları eşit aralıklı, kristal benzeri bir kafes konfigürasyonuna dönüştürmek için bir dizi lazer ışını kullandılar. Bu düzenlemede, her atom, her birinin etkili bir şekilde tek, izole ve özdeş bir atom olarak kabul edilebileceği diğer atomlardan yeterince uzaktır. Ve 10.000 bu tür atom, tek bir atoma kıyasla daha kolay tespit edilen bir sinyal üretebilir.
Grup, bu düzenleme ile, atomlardan zayıf bir ışık demeti parlayabileceklerini ve tek bir fotonun iki bitişik atomu, bir dalga veya parçacık olarak nasıl dağıldığını gözlemlediklerini düşündü. Bu, orijinal çift katlı deneyde ışığın iki yarıktan nasıl geçtiğine benzer.
Ketterle, “Yaptığımız şey, çift ölümcül deneyin yeni bir varyantı olarak görülebilir.” Diyor. “Bu tek atomlar, inşa edebileceğiniz en küçük yarıklar gibidir.”
Ayarlama
Tek foton seviyesinde çalışmak, deneyi birçok kez tekrarlamayı ve atomlardan dağılmış ışık paternini kaydetmek için ultrasensitif bir dedektör kullanmayı gerektiriyordu. Tespit edilen ışığın yoğunluğundan, araştırmacılar ışığın bir parçacık veya dalga gibi davrandığını doğrudan çıkarabilirler.
Özellikle gönderdikleri fotonların yarısının dalgalar gibi davrandığı ve yarısının parçacıklar olarak davrandığı durumla ilgileniyorlardı. Bunu, bir fotonun bir parçacığa karşı bir dalga olarak görünme olasılığını ayarlamak için bir yöntem kullanarak, bir atomun “bulanıklığını” veya yerinin kesinliğini ayarlayarak başardılar.
Deneylerinde, 10.000 atomun her biri, ışığın tutuşunu sıkmak veya gevşetmek için ayarlanabilen lazer ışığı ile yerinde tutulur. Daha gevşek bir atom yapılırsa, daha bulanık veya daha “uzamsal olarak geniş” görünür.
Bulanık atom daha kolay hışırtılar ve fotonun yolunu kaydeder. Bu nedenle, bir atomun bulanıklığını ayarlarken, araştırmacılar bir fotonun parçacık benzeri davranış sergileme olasılığını artırabilir. Gözlemleri teorik açıklama ile tam olarak uyumludur.
Yaylar
Grup, deneylerinde Einstein’ın fotonun yolunu nasıl tespit edeceğine dair fikrini test etti. Kavramsal olarak, her bir yarık bir yayla havada asılı olan son derece ince bir kağıda kesilmişse, bir yarıktan geçen bir foton, karşılık gelen yayını fotonun parçacık doğasının bir sinyali olacak belirli bir dereceye kadar sallamalıdır.
Çift yarık deneyinin önceki gerçekleşmelerinde, fizikçiler böyle bir bahar benzeri bir bileşen içeriyorlardı ve bahar, fotonun ikili doğasını tanımlamada önemli bir rol oynadı.
Ancak Ketterle ve meslektaşları deneyimi meşhur yaylar olmadan gerçekleştirebildiler. Ekibin atom bulutu başlangıçta Einstein’ın bir yayla asılı bir yarık anlayışına benzer şekilde lazer ışığı ile yerinde tutulur.
Araştırmacılar, “baharlarını” ortadan kaldıracaklar ve tam olarak aynı fenomeni gözlemleyeceklerse, yayın bir fotonun dalga/parçacık ikiliği üzerinde hiçbir etkisi olmadığını göstereceklerdi.
Bu da buldukları buydu. Birden fazla koşuda, atomları yerinde tutan yay benzeri lazeri kapattılar ve daha sonra atomlar daha bulanık hale gelmeden ve nihayetinde yerçekimi nedeniyle düşmeden önce bir milyon saniyede bir ölçüm aldılar. Bu küçük sürede, atomlar boş alanda etkili bir şekilde yüzüyordu. Bu baharsız senaryoda, ekip aynı fenomeni gözlemledi: bir fotonun dalgası ve parçacık doğası aynı anda gözlenemedi.
Fedoseev, “Birçok açıklamada, yaylar önemli bir rol oynuyor. Ama biz gösteriyoruz, hayır, yaylar burada önemli değil; önemli olan sadece atomların bulanıklığıdır.” “Bu nedenle, fotonlar ve atomlar arasında kuantum korelasyonlarını kullanan daha derin bir açıklama kullanmalıdır.”
Araştırmacılar, 2025 yılının Birleşmiş Milletler tarafından uluslararası kuantum bilimi ve teknolojisi yılı olarak ilan edildiğini ve 100 yıl önce kuantum mekaniğinin formülasyonunu kutladığını belirtiyor. Bohr ve Einstein arasındaki çift katlı deney hakkındaki tartışma sadece iki yıl sonra gerçekleşti.
“Kuantum fiziğini kutladığımız yılda bu tarihi tartışmayı netleştirmeye yardımcı olabilmemiz harika bir tesadüf” diyor ortak yazar Lee.
