Bilim insanları zamanı ölçmek için yeni yöntem geliştirdi

Saatler ve sarkaçlardan oluşan günlük hayatımızda zamanın akışını belirlemek oldukça basit bir işlemdir. Saniyeler sayılır, dakikalar geçer ve saatler ilerler. Ancak atomik ve subatomik seviyelerde, yani elektronların hızla hareket ettiği kuantum dünyasında durum tamamen farklılaşır. Bu ölçekte 'o zaman' ile 'şimdi' arasındaki sınırlar muğlak hale gelir ve belirsizlik hakimdir. Geleneksel ölçüm araçları bu ortamda işe yaramaz.

Rydberg atomları ve kuantum ölçeği

Uppsala Üniversitesi'nden bilim insanlarının 2022 yılında yayınladıkları çalışma, bu sorunun çözümünün kuantum sisinin yapısında gizli olduğunu ortaya koymaktadır. Araştırmacılar, Rydberg durumu adı verilen özel bir kuantum durumunun dalga benzeri özellikleri üzerinde yoğun deneyler gerçekleştirmiştir. Bu deneyler sonucunda, kesin bir başlangıç noktası gerektirmeyen tamamen yeni bir zaman ölçüm yöntemi ortaya çıkmıştır.

Rydberg atomları, parçacık fiziğinin aşırı derecede genişletilmiş yapılarıdır. Hava yerine lazer ışınlarıyla şişirilen bu atomlar, çekirdekten çok uzak mesafelerde yörüngede dönen son derece yüksek enerjili elektronlar içerir. Lazer teknolojisi kullanılarak elektronlar çeşitli enerji seviyelerine yükseltilir. Bazı uygulamalarda, ikinci bir lazer kullanılarak elektronun konumundaki değişiklikler izlenir. Bu 'pompa-prob' tekniği olarak bilinen yöntem, ultra hızlı elektronik cihazların hızını ölçmek gibi birçok alanda kullanılmaktadır.

Dalga paketleri ve zaman damgaları

Rydberg atomlarını bu özel durumlara sokmak, kuantum bilgisayarlar ve yeni elektronik bileşenler tasarlamak isteyen mühendisler için son derece değerli bir tekniktir. Fizikçiler, elektronların Rydberg durumuna itildiğinde nasıl davrandığı hakkında geniş bilgi birikimine sahiptir. Ancak kuantum parçacıkları, klasik fiziğin kurallarına uymaz. Elektronların hareketi, bir rulet masasında topun her yuvarlanışının tek bir şans oyununa sıkıştırıldığı kaotik bir sistem gibidir.

Bu karmaşık davranışın matematiksel temelini Rydberg dalga paketi adı verilen yapı oluşturur. Gerçek dalgalar gibi, bir uzayda birden fazla Rydberg dalga paketinin varlığı girişim oluşturur ve benzersiz dalgalanma desenleri meydana getirir. Aynı atomik ortama yeterince fazla Rydberg dalga paketi yerleştirildiğinde, bu desenler her biri dalga paketlerinin birbirleriyle etkileşime girerek evrimleşmesi için geçen farklı zamanları temsil eder.

Uppsala Üniversitesi'nden araştırmacılar, bu benzersiz desenlerin bir tür kuantum zaman damgası olarak işlev görebilecek kadar tutarlı ve güvenilir olduğunu göstermeyi amaçlamıştır. Deneyler, lazerle uyarılmış helyum atomlarının sonuçlarını ölçmeyi ve elde edilen bulguları teorik tahminlerle karşılaştırmayı içermiştir. Sonuçlar, bu zamanın 'parmak izlerinin' bir zaman süresi yerine nasıl geçebileceğini açıkça göstermiştir.