Japonya’daki Okinawa Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (OIST) araştırmacıları, kuantum özelliklerinden yararlanarak yaklaşık 1 santimetre büyüklüğünde ve 128 miligram ağırlığındaki bir elmasın konumunu değiştirdi. Yaklaşık 100 nanometrelik yer değiştirme, kuantum kaynaklı bir etkinin makroskobik ölçekte ölçülebilir mekanik tepki oluşturabildiğini gösteriyor.
Science Advances’te yayımlanan çalışma, kuantum etkilerinin büyük nesneler üzerindeki sonuçlarını incelemek için farklı bir deneysel yöntem ortaya koyuyor. Araştırmada elmasın kuantum süperpozisyonuna girdiği gösterilmedi; ölçülen şey, kuantum spin özelliklerinin elmasın hareketine etkisi oldu.
Kuantum mekaniği ile klasik fizik arasındaki sınır
Klasik fizik, gündelik ölçekteki cisimlerin hareketini ve kütle çekimini açıklarken kuantum mekaniği atom ve atom altı parçacıkların davranışını tanımlıyor. Her iki kuram da kendi alanında başarılı olsa da kütle çekimini kuantum mekaniğiyle birlikte açıklamak, fiziğin çözülememiş sorunları arasında yer alıyor.
Bu soruya yaklaşmanın yollarından biri, yeterince büyük nesnelerin kuantum özellikleri gösterip gösteremeyeceğini araştırmak. Bunun için nesnelerin, birden fazla olası durumun aynı anda bulunabildiği kuantum süperpozisyonuna alınması gerekiyor.
Ne var ki sıcaklık değişimleri ve titreşim gibi çevresel etkiler kuantum durumlarını kolayca bozabiliyor. Kütle çekiminin kuantum ölçekteki etkilerini belirlemek de oldukça güç. Çalışmanın baş yazarı, OIST Kuantum Makineleri Birimi doktora öğrencisi Anshuman Nayak, kütle çekiminin kuantum doğasını araştırmak için yeterli kütledeki cisimlerin süperpozisyona sokulması gerektiğini belirtiyor. Çevresel gürültüyü azaltmak amacıyla bu nesnelerin vakumda havada asılı tutulabilmesi de önem taşıyor.
Geleneksel yaklaşımda küçük parçacıklarla başlanıp kütle kademeli olarak artırılıyor. Ancak optik tuzaklarla daha büyük cisimleri havada tutmak zorlaşıyor. OIST ekibi bunun yerine deneyine doğrudan santimetre ölçeğinde bir nesneyle başladı.
Elmasın atomik kusurlarından yararlanıldı
Deneyde, yapısında azot-boşluk merkezleri bulunan bir elmas kullanıldı. Bu kusurlar, kristal yapıdaki bir karbon atomunun yerini azot atomunun alması ve yanındaki atom konumunun boş kalmasıyla oluşuyor. Merkezlerin negatif yüklü hâlleri, lazer ve mikrodalgalar aracılığıyla kontrol edilebilen kuantum spin özelliklerine sahip. Araştırmacılar, bu özelliklerin elmasın fiziksel hareketini nasıl etkilediğini inceledi.
Düzeneğin diğer bileşenleri grafit ve mıknatıstı. Ekip, mıknatıs karşısında itici tepki oluşturan diyamanyetik levitasyon yöntemini kullandı. Araştırmacılar, elmasın mıknatısa verdiği tepkiyi lazer açıkken ve kapalıyken hassas biçimde ölçtü. Elmasın içindeki azot-boşluk merkezlerinin kuantum spin katkısı değiştirildiğinde cismin konumunda da küçük bir fark ortaya çıktı.
Ölçümlere göre spin katkısındaki değişim elması yaklaşık 100 nanometre hareket ettirdi. Günlük ölçekte çok küçük olan bu mesafe, santimetre boyutundaki bir nesnede kuantum kaynaklı mekanik etkinin ölçülmesi bakımından deneyin temel sonucunu oluşturuyor.
Schrödinger’in kedisi hedefi henüz gerçekleşmedi
OIST’ten Profesör Jason Twamley, ekibin mevcut ileri spin-mekanik deneylerinde kullanılan cisimlerden sekiz ila dokuz kat daha yüksek kütleli bir nesnenin kuantum kuvvetine klasik mekanik tepki verdiğini gözlemlediğini aktarıyor. Kuantum etkisinin bir cismi hareket ettirmesi ile cismin kendisinin kuantum süperpozisyonunda bulunması ise birbirinden farklı durumlar.
Schrödinger’in kedisi düşünce deneyi, kuantum mekaniğinin sıra dışı özelliklerinin gündelik hayattaki büyük nesnelere uygulanması hâlinde ortaya çıkan soruları ele alıyor. OIST ekibi elmasın iki farklı kuantum durumunun süperpozisyonuna girdiğini göstermedi; deney, elmasın spin özelliklerinin hareketi üzerinde ölçülebilir etkisini ortaya koydu.
Araştırmacıların sonraki hedefi, deney koşullarını iyileştirerek daha büyük kütleli nesnelerde kuantum süperpozisyonuna ulaşmak. Böyle bir çalışma, kuantum mekaniği ile Einstein’ın genel görelilik kuramı arasındaki ilişkinin deneysel olarak araştırılmasına imkân sağlayabilir.
Çalışma, nanometre ölçeğindeki kuantum etkilerinin santimetre boyutundaki sistemlerde ölçülmesine yönelik yöntemlerin geliştirilmesine de katkı sunuyor. Araştırmacılar, yaklaşımın gelecekte daha hassas sensörlerin geliştirilmesinde kullanılabileceğini değerlendiriyor.
