Akustik Dalgaları Kullanarak, Atomların Seslerini Dinlemek ve Onları Kontrol Etmek Mümkün Olabilir!

Atomlar ve ışık arasındaki ilişki biliniyor ve kuantum ışık bilimi alanında etraflıca incelendi. Ancak, atomlar ile ses dalgaları arasında aynı türden bir ilişkiyi tespit etmek çok daha zorlu bir iş.

Bir çalışmada Chalmers Teknoloji Üniversitesi'nden araştırmacıları, akustik dalgalar ile yapay bir atomun bağlanmasında başarı sağladı. Çalışma, deneysel ve kuramsal fizikçiler arasında bir işbirliği ile mümkün oldu. Deneysel araştırma grubunun başında bulunan Per Delsing şöyle diyor:

Atomlarla konuşup, onları dinleyerek, Kuantum Dünyası'na yeni bir kapı açtık. Uzun dönem hedefimiz, kuantum fiziğini kullanıp, örneğin son derece hızlı bilgisayarların geliştirilmesinde kuantum fizik yasalarından faydalanabilmek. Bunu, kuantum yasalarına uyan elektrik devreleri ile yapıyoruz; çünkü onları kontrol edebiliyoruz ve üzerinde çalışabiliyoruz.

Yapay bir atom, bu tip bir kuantum elektrik devresine örnektir. Yapay atomlar, tıpkı normal bir atom gibi, enerji ile yüklenebilir ve sonradan bu enerjiyi parçacıklar olarak etrafa yayabilir. Saçılan bu parçacıklar çoğu zaman ışık parçacığıdır; ancak Chalmers deneyindeki atom, bunun yerine ses formunda enerjiyi yayması ve emmesi için tasarlanmış. Makalenin baş yazarı Martin Gustafsson şöyle diyor:

Teoriye göre, atomun sesi kuantum parçacıklarına ayrılıyor. Böyle bir parçacık, saptanabilen en zayıf sestir.

Ses, ışıktan çok daha yavaş hareket ettiğinden, akustik atom kuantum olayı üzerinde kontrol sağlayacak yeni olasılıkları gündeme getiriyor. Martin Gustaffson şöyle diyor:

Sesin düşük hızından dolayı, kuantum parçacıklarını hareket esnasında kontrol edebilecek zamanımız olacak. 100.000 kat hızlı olduğundan, ışık ile bunu başarmak zordur.

Sesin düşük hızı ışığa kıyasla daha küçük dalga boyunu da beraberinde getiriyor. Işık dalgasıyla etkileşen bir atom her zaman dalgaboyundan daha küçük kalır. Ancak sesin dalgaboyuyla karşılaştırıldığında atom çok daha büyüktür ve bu, özelliklerinin daha iyi kontrol edilebilmesini sağlar. Örneğin bir atom sadece belli akustik frekanslarda ya da ses ile oldukça güçlü etkileşime girecek şekilde tasarlanabilir.

Deneyde kullanılan frekans modern kablosuz ağlarda yaygın olarak kullanılan mikrodalga frekansına yakın bir frekans olan 4.8 gigahertz idi. Müzik terimleriyle ifade etmek gerekirse, bu yaklaşık olarak kuyruklu piyanodaki en üst notanın yaklaşık 20 oktav üstüne tekabül eden D28'e denk gelir.

Böyle yüksek frekanslarda, sesin dalgaboyu bir mikroçip yüzeyi boyunca görünecek kadar kısalır. Aynı çip üzerine araştırmacılar 0,01 mm uzunluğunda süperiletken bir maddeden yapılmış bir yapay bir atom yerleştirdi.

Araştırma Hakkında Ek Ayrıntılar

Araştırmacıların kullandığı örneğin alt katmanı galyum arsenür (GaAs) ve örnek iki önemli parçadan oluşuyor. İlki, yapay atomu oluşturan süperiletken devre. Bu tür devreler, kuantum bilgisayarların temel yapı taşı (qubit) olarak da kullanılabilir.

Diğer gerekli bileşen, interdijital dönüştürücü (IDT) olarak biliniyor. IDT elektro mikrodalgaları sese ve sesi mikrodalgalara dönüştürüyor. Deneyde kullanılan ses, katı bir yüzeyde hafif dalgalanmalar olarak görünen akustik dalga yüzeyine (SAW) sahip. Deneyler mutlak sıfıra (20 milikelvin) yakın çok düşük sıcaklıklarda gerçekleştirildi ve ısı oluşumundaki enerjinin atoma zarar vermemesi sağlandı.