Kuantumda zamanın sırrı! İsviçreli bilim insanlarından şaşırtan buluş

İsviçre'nin önde gelen bilim merkezlerinden EPFL'de görev yapan fizikçiler, kuantum olaylarının zamanlamasını dış bir saat veya referans olmaksızın ölçebilen yeni bir yöntem geliştirdi. Araştırmacılar, bu yenilikçi teknik sayesinde, kuantum geçişlerinin süresini doğrudan ve sistemin doğal işleyişini bozmadan belirleyebildiklerini açıkladı. Kuantum zamanı kavramı, yüzyıllardır hem filozofların hem de fizikçilerin tartıştığı bir konu olmayı sürdürürken, bu çalışma ile zamanın kuantum mekaniğindeki rolüne dair yeni bir bakış açısı sunulmuş oldu.

Kuantum zamanı: Ölçümdeki temel zorluklar ve yeni yaklaşım

Kuantum ölçeğinde gerçekleşen olaylar, alışılmış zaman kavrayışımızın çok ötesinde, neredeyse hayal edilemeyecek kadar kısa sürelerde meydana geliyor. Örneğin, bir elektronun ışık emdikten sonra yeni bir enerji seviyesine geçişi ya da tünelleme gibi süreçler, sadece birkaç on attosaniye (10^-18 saniye) gibi olağanüstü kısa zaman dilimlerinde gerçekleşiyor. Bu denli kısa süreleri ölçmek, bilim dünyası için uzun yıllardır büyük bir engel teşkil ediyordu. Çünkü herhangi bir dış zamanlayıcı veya ölçüm cihazı, hassas kuantum süreçlerine müdahale ederek sonuçları değiştirme riski taşıyor. EPFL'den Profesör Hugo Dil, bu zorluğun üstesinden gelmek için kuantum girişim yöntemlerine başvurduklarını ve zaman ile birikmiş faz arasındaki ilişkiyi kullanarak çözüm geliştirdiklerini belirtti.

2023 Nobel Fizik Ödülü'nün de işaret ettiği gibi, attosaniye düzeyinde zamanlara erişmek artık mümkün olsa da, dış referansların kullanılması sistemde yapay etkiler oluşturabiliyor. Bu nedenle, kuantum zamanı ölçümü için dış bir saate ihtiyaç duymayan, doğrudan sistemin kendi dinamiklerini temel alan yöntemler büyük önem taşıyor. EPFL ekibinin geliştirdiği teknik, bu alanda atılmış önemli bir adım olarak öne çıkıyor.

Deneysel yöntem: Spin tabanlı kuantum zamanı ölçümü

Profesör Dil ve ekibi, kuantum geçişlerinin süresini belirlemek için elektronların spin özelliklerinden yararlandı. Elektronlar bir fotonu emip bir materyalden yayıldıklarında, spinlerinde geçişin ayrıntılarını yansıtan ince değişiklikler meydana geliyor. Araştırmacılar, bu spin değişimlerini detaylı biçimde analiz ederek, geçişin ne kadar sürdüğünü hesapladı. Çalışmanın başyazarı Fei Guo, bu deneylerin herhangi bir dış referansa ya da saate ihtiyaç duymadan, elektronun dalga fonksiyonunun foton emilimi sırasında başlangıçtan daha yüksek enerjiye geçiş süresini ortaya koyduğunu ifade etti.

Kuantum girişim prensibi sayesinde, ışık bir elektronu uyardığında tek bir yol izlenmiyor; aynı anda birden fazla kuantum yolu mümkün oluyor. Bu yolların birbirleriyle girişimi, yayılan elektronun spininde kendine özgü bir iz bırakıyor. Araştırmacılar, spin deseninin elektronun enerjisine göre nasıl değiştiğini takip ederek, geçiş süresini doğrudan belirleyebildi. Bu yaklaşım, kuantum zamanı ölçümü için yeni bir pencere açtı.

Gelişmiş spektroskopi ve atomik yapıların etkisi

EPFL ekibi, ölçümlerini gerçekleştirmek için "spin ve açıya bağlı fotoelektron spektroskopisi" (SARPES) adı verilen ileri düzey bir teknik kullandı. Bu yöntemde, güçlü senkrotron ışığı bir materyale yönlendirilerek, elektronların daha yüksek enerji seviyelerine çıkması ve materyalden dışarı atılması sağlanıyor. Bilim insanları, kaçan elektronların enerjisini, yönünü ve spinini ölçerek kuantum geçişlerinin zamanlamasına dair ayrıntılı veriler elde etti.