Madde, Kuantum Kritik Noktalarının Yakınında Işıkla Çok Daha Kolay Dolanık Hâle Gelebilir!

Kuantum dolanıklık, parçacıkların birbirine ayrılmaz biçimde bağlı olduğu bir durumdur. Bu dolanık durumda, fiziksel olarak birbirlerinden çok uzakta olsalar bile bir parçacığın özellikleri diğerini anında etkiler. Bu fenomen bugüne kadar genellikle, araştırmacıların kuantum bilgisini depolamak ve işlemek için kullanabildiği, sadece birkaç parçacıktan oluşan küçük kuantum sistemlerinde gözlemleniyordu. Rice Üniversitesinden Prof. Dr. Qimiao Si, kuantum dolanıklığı çok daha fazla sayıda parçacıktan oluşan makroskobik sistemlerde anlamak ve uygulamak üzerinde çalışıyor.

Nature Communications dergisinde yakın zamanda yayımlanan bir makalede Si, sadece kuantum malzemelerindeki kuantum dolanıklığın daha iyi anlaşılmasını değil, aynı zamanda makroskobik sistemlerde kuantum dolanıklığın daha kolay kullanılmasını sağlayabilecek bir yöntem tanımladı. Geliştirdiği teori, bunun kuantum malzemelerinin kuantum ışığı ile eşleştirilmesi yoluyla yapılabileceğini öne sürüyor. Fizik ve Astronomi Bölümü'nde Harry C. ve Olga K. Wiess Profesörü ve Ekstrem Kuantum Malzemeleri İttifakı direktörü olan Si, durumu şöyle açıkladı:

Bu teoride maddeyi küçük aynalı bir optik kovuğa yerleştirip kuantum kritik noktası denen yere doğru iterek ortama fotonlar dahil edebilir ve böylece foton-madde melezinde kuantum dolanıklığı tetikleyebiliriz.

Kovuk içindeki bu foton-madde melezlerini oluşturmak uzun zamandır büyük bir zorluktu. Teorik çalışmalar, melezleşme olabilmesi için ışık ve maddenin çok güçlü etkileşimlere sahip olması gerektiğini, bunun da mühendislik açısından son derece zor olduğunu gösteriyordu. Ancak bu yeni teori, maddeyi kuantum kritik noktasına yaklaştırarak bu melez dolanıklık durumuna girme eşiğinin büyük ölçüde düşürülebileceğini öne sürüyor. Rice Üniversitesinde yüksek lisans öğrencisi ve çalışmanın eş başyazarı olan Yiming Wang, bu kavramı şöyle açıkladı:

Kuantum kritik noktasını, bir malzemenin iki farklı kuantum evresi arasında 'seçim yapabildiği' nokta olarak düşünebilirsiniz. Malzeme bir evrededir ancak kuantum kritik noktasına ulaştığında ikinci evreye geçiş yapabilir.

Bu yeni teori sayesinde araştırmacılar, ışık ve maddenin dolanıklığını termal olmayan yöntemlerle ve maddenin kuantum kritik noktasına zorla yaklaştırılmasına dayanarak artırabilirler. Basınç uygulamak veya bir kimyasal bileşeni bir başkasıyla değiştirmek gibi termal olmayan yöntemler, malzemeyi kuantum kritik noktasına doğru itmek için kullanılabiliyor. Malzeme kuantum kritik noktasına ne kadar yaklaşırsa güçlü kuantum dolanıklık eşiği de o kadar düşüyor. Eğer malzeme kuantum kritik noktasının yakınındayken aynalı kovuğa ışık verilirse bu ikisini dolanık hâle getirmek çok daha kolaylaşıyor. Rice Üniversitesinde eski doktora sonrası araştırmacı ve bu makalenin eş başyazarı olan Shouvik Sur, süreci şöyle anlattı:

Işık ve madde dolanık hâle geldikten sonra, bireysel özellikleri birbirini yansıtmaya başlar. Malzeme ışıkla dolanık hâldeyken kuantum kritik noktasına girer ve ikinci evreye geçerse, ışık da aynı şekilde geçiş yapacaktır.

Dolayısıyla deneysel fizikçiler, bu yöntemi kullanarak yalnızca ışık ve madde dolanıklığını tetiklemekle kalmayıp hem ışık hem de malzeme için mevcut ölçüm tekniklerini kullanarak çeşitli evrelerdeki dolanık parçacıkları inceleyebilirler. Bu gelişme aynı zamanda araştırmacılara, kuantum dolanıklığı yeni nesil kuantum teknolojilerinde kullanabilmeleri için yepyeni bir yol sunuyor.

Geçtiğimiz yıl Si'nin ekibi, kuantum dolanıklığın tuhaf metaller olarak bilinen kuantum kritik malzemelerinde hem mevcut olduğunu hem de giderek arttığını keşfetmişti. Bilim insanları kuantum dolanıklığı sistemden nasıl çıkaracaklarını bulabilirlerse bu özellik kuantum teknolojileri için çok önemli bir kaynak hâline gelebilir. Önerilen bu yeni teori, kuantum dolanıklığın kuantum ışığı kullanılarak dışarı aktarılmasına olanak tanıyacak. Çünkü fotonlar ve madde dolanık hâle geldikten sonra, ışık kovuktan dışarı çekilebiliyor. Böyle bir sistem, kuantum algılama gibi yeni nesil teknolojilerin geliştirilmesinin önünü açabilir. Araştırmanın sonuçlarını değerlendiren Si, şu ifadeleri kullandı:

Nihayetinde bu durum, maddenin kuantum dolanıklığını elde etmek için kuantum ışığını kullanan bir yolu ortaya çıkarıyor. Bu adım, kuantum dolanıklığın kaynaklarını kullanılabilir hâle getirmenin ve kuantum materyallerinden yepyeni işlevsellikler elde etmenin temelini atabilir.