Fotonların Birleşmesi

Fotonların Birleşmesi – Fotonların Kütleleri : Hızlıca bir deney yaptığımızda, karanlık bir odaya iki el feneri alarak ve onların ışık huzmelerini kesiştirdiğimizde tuhaf bir şeyi fark ediyor olacağız. Tuhaflık ışığı oluşturan fotonların etkileşime girmeden yollarına devam etmesi olayıdır. Yazımızda Fotonların Birleşmesi olayından bahsedeceğiz. Fotonların Kütleleri olmadığı bilinmekle beraber yapılan çalışmalarda foton kütlesi kavramı bir nicelik olarak ta fizik dünyasında yerini almaya başlıyor. Tabi ki foton kütlesi bazı özel şartların oluşmasıyla ortaya çıkabilmekte.

Işık parçacıkları sıradan maddede olduğu gibi, yani atomlar gibi etkileşime girerek birbirlerini çekme ya da itme olaylarını gerçekleştirseler ne olurdu? Bunu düşünerek yazımıza başlamamızı öneriyorum.

Olası bir senaryoda, iki ışık demeti buluşarak tek bir ışıklı akımda birleşebileceklerine dair bir haberi sizlerle paylaşmak istiyorum.

Bahsetmiş olduğum ışık demetleri arasındaki etkileşimi MIT, Harvard Üniversitesi ve diğer araştırma merkezlerinde ki bilim adamları gösterdiler. Bu etkileşim fotonların ilerleyen zamanlarda kullanılma olasılığın yolunu açmış oluyordu.

Science dergisindeki makalede, MIT’de Lester Wolfe Fizik Profesörü Vladan Vuletic ve Harvard Üniversitesi’nden Profesör Mikhail Lukin liderliğindeki ekipler, üç foton grubunun etkileşime girerek tamamen yeni bir tür fotonik madde oluşturduklarını gözlemlediler.

Araştırmacılar yapılan kontrollü deneylerde, yoğun bir ultra soğuk rubidyum atomu bulutu arasından çok zayıf bir lazer ışını geçirdiklerinde fotonların çiftler veya üçlüler halinde birbirine bağlandığını buldular.

Fotonlar Birleşerek Kütle Oluşturabilir mi?

Araştırmacılar  Fotonların Kütleleri olmayıp saniyede 300.000 kilometre hızla hareket etseler de bu fotonların aslında bir elektron kütlesinin bir kısmını elde ettiklerini buldular.

Bu yeni tartılmış hafif parçacıklar da nispeten yavaştı ve etkileşime girmeyen normal fotonlardan yaklaşık 100.000 kat daha yavaş hareket ediyordu.

Vuletic, bu sonuçlarla fotonların gerçekten birbirlerini çekebileceğini veya birbirlerini dolaştırabileceğini gösterdiğini söylemektedir.

Bu fotonların diğer şekillerde de etkileşime girmeleri sağlanabilirse, son derece hızlı bir şekilde ciddi derecede karmaşık kuantum hesaplamaları gerçekleştirmek için fotonlar kullanılabileceğini ifade etti.

Vuletic’in deyişiyle tek tek fotonların etkileşime girebilmesi onlarca yıl sürebilecek bir hayaldi.

MIT–Harvard Ultracold Atom Center‘da Vuletic ve Lukin fotonlar arasındaki etkileşimlerin çalışmalarını teşvik etmek için hem teorik hem de deneysel yollar için liderlik etmektedirler.

Ekip ilk kez 2013 yılında etkileşime giren ve birbirine bağlanan foton çiftlerini gözlemlemişlerdi bu durum tamamen yeni bir madde durumu yaratıyordu. Bu gözlem Fotonların Birleşmesi için dev bir adımdı.

Yeni çalışmalarında araştırmacılar, etkileşimlerin sadece iki foton arasında değil, daha fazlası arasında gerçekleşip gerçekleşemeyeceğini merak etmişler, örnek olarak oksijen moleküllerini birleştirerek O₂ ve O₃ (ozon) oluşturabilecekleri ifade etmişlerdir.

Ancak O₄ yapamayacaklarını ve bazı moleküller için üç parçacıklı bir molekül bile oluşturulamayacağını belirtmektedir.

Araştırmacılar bizlere “Daha büyük ve daha büyük şeyler yapmak için bir moleküle daha fazla foton ekleyebilir misiniz?” sorusunu sormuşlardır.

Araştırma ekibi aynı zamanda iki fotonun arasındaki etkileşimlerini gözlemlemek için de aynı deneysel yaklaşımı kullandıklarını açıkladılar.

Süreç, bir rubidyum atomu bulutunu mutlak sıfırın sadece milyonda biri derece üzerinde ultra soğuk derecelerde soğutmakla başlamıştır.

Atomları soğutmak onları neredeyse durma noktasına kadar yavaşlatmaktadır.

Araştırmacılar hareketsizleştirilmiş atom bulutu arasından çok zayıf neredeyse yalnızca bir avuç foton bir lazer ışını göndermişlerdir. Daha sonra bu fotonları atom bulutunun diğer tarafından çıkarken ölçmüşlerdir.

Bu yeni deneyde, fotonların buluttan rastgele aralıklarla çıkmak yerine, birbirleriyle hiçbir ilgisi olmayan tek fotonlar çiftler ve üçlüler halinde çıktıkları keşfedilmiştir.

Bir fotonun fazı, salınım sıklığını gösterir. Araştırma ekibi, fotonların sayısını ve oranını takip etmenin yanı sıra, atom bulutundan geçmeden önce ve sonra fotonların fazını da ölçtü.

Fizikçilerden Venkatramani fazın yapılan deneyde önemine değinmektedir.

Oluşan faz ne kadar büyükse o kadar güçlü bir şekilde etkileşime girdiklerini birbirlerine o derece güçlü bağlandıklarını ifade ediyor.

Ekip, üç foton parçacığının atom bulutundan aynı anda çıktıklarında, fazlarının, fotonların hiç etkileşime girmediğindekine kıyasla değiştiğini ve iki foton molekülünün faz kaymasından üç kat daha büyük olduğunu gözlemledi.

“Bu, bu fotonların yalnızca her birinin bağımsız olarak etkileşime girmediği, aynı zamanda hep birlikte güçlü bir etkileşim içinde olduğu anlamına geldiklerini de aynı zamanda söylemektedir.

Araştırmacılar daha sonra da fotonların etkileşime girme sebeplerine dair bir hipotez geliştirmişlerdir.

Fiziksel ilkelere dayanan modelleri şu gerekçelerle ileri sürmüşlerdir.

Tek bir foton rubidyum atomları bulutu boyunca hareket ederken, başka bir atoma geçmeden önce kısa bir süre yakındaki atomla etkileşmiş olacağına dair bir modeldir bu. Günlük yaşantımızdan bir örnekle çiçekler arasında uçan bir arı gibi bir benzetme de yapmışlardır.

Polariton Nedir ve Nasıl Oluşur?

Sıkı durun Sevgili Fizikçiler bu kısım beni çok etkiledi. Şimdi de “Polariton” ile karşılaşıyoruz.

Bir foton aynı anda bulutta hareket ediyorsa, bir rubidyum atomu üzerinde biraz zaman geçirerek bir polariton oluşturabilir. Bu kısmen bir fotondur. Buna aynı zamanda yarı atom olan bir hibrittir de.

Daha sonra iki polariton, atomik bileşenleri yoluyla birbirleriyle etkileşime girebilir.

Bulutun kenarında, fotonlar hala birbirine bağlı olarak çıkarken atomlar oldukları yerde kalırlar. Araştırmacılar, aynı fenomenin üç fotonla meydana gelebileceğini ve iki foton arasındaki etkileşimlerden daha güçlü bir bağ oluşturduğunu da bulmuşlardır.

Fizikçi Vuletic, ilginç olanın bu üçlü birleşmenin olduğunu belirtmektedir. Sonu olarak artık Fotonların Birleşmesi ve dolayısıyla Fotonların Kütleleri sonucunu sağlamış oluyordu.

Başlangıçta foton çiftlerine kıyasla eşit olarak mı, daha az mı yoksa daha güçlü bir şekilde mi bağlanacakları da bilinmiyordu.

Atom bulutu içindeki tüm etkileşim, saniyenin milyonda biri üzerinde gerçekleşir. Ve fotonların buluttan ayrıldıktan sonra bile birbirine bağlı kalmasını tetikleyen de bu etkileşimdir.

Cantu, “Bununla ilgili düzgün olan şey, fotonlar ortamdan geçtiklerinde, ortamda olan herhangi bir şeyin dışarı çıktıklarında hatırlanıyor olmasıydı” demiştir. Yani bir nevi bilgi transferinin yapıldığını göstermesi açısından çok önemli bir bulgudur.

Bu durumu aralarındaki bir çekim yoluyla etkileşime giren fotonların, güçlü bir şekilde ilişkili veya dolaşık olarak düşünülebileceği anlamına gelmektedir.

Yani bu durum kuantum hesaplama biti için önemli bir özelliktir. Vuletic, “Fotonların uzun mesafelerde çok hızlı dolaşımda olduklarından fiber optik iletişimde bilgilerin iletiminde ışığı kullanıldığı belirtti. Aynı zamanda fotonlar birbirlerini etkileyebiliyor ve onlar dolaştırabiliyorsa, onların kuantum bilgisini ilginç ve yararlı bir şekilde dağıtmak için kullanılabilir sonucunu da ortaya çıktığı görülüyordu.

Araştırma ekibinin ileriye dönük olarak hedefi fotonların bilardo topları gibi birbirleri ile etkileşime girmelerinin sağlanması üzerine olacaktır. Yani tıpkı momentumda öğrendiğimiz itme gibi. Fotonların Kütleleri konusunda da daha çok mesafe kaydedileceği de çabası.

Yapılan araştırmaların yeni sonuçları ortaya çıkarması da pek tabi doğaldır.

Yani fotonların itilmesiyle, bir ışık kristali gibi düzenli bir model oluşturabilir mi ya da yeni bir şey keşfedilecek mi?

Bu alan şimdilik çok bakirdir. Yani keşfedilmemiş bir bölge.

Bu araştırma kısmen Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklenmiştir.

Sağlıcakla kalın.

Scitechdaily adlı internet kanalından derlenmiştir.

Yayın: Qi-Yu Liang ve diğerleri, “Doğrusal olmayan kuantum ortamda üç foton bağlı durumların gözlemlenmesi” Science, 16 Şubat 2018: Cilt. 359, Sayı 6377, s. 783-786; DOI: 10.1126 / science.aao7293