Avusturya’daki Viyana Üniversitesi ve Hollanda Delft Teknoloji Üniversitesi’nden araştırmacılar, yeni cihazlarını Optik Topluluğu’nun yüksek araştırma dergisi olan Optica’da yayınladılar. Her ne kadar bu yaklaşım tuzağa düşmüş atomlarla kullanılan bir metod olsa da araştırmacılar bunu farklı bir amaç ile kullandılar. Bu sayede milyarlarca atomdan oluşan optik olarak sıkışıp kalmış nanoparçacıkların hareketini tam olarak ölçmek için kullanan ilk ekip oldular.
Viyana Üniversitesi’ndeki araştırmanın ekibi lideri olan Markus Aspelmeyer; “Uzun vadede, bu tür bir cihaz nano ölçekli materyallerin çevre ile olan etkileşimlerini temel düzeyde anlamamıza yardımcı olabilir. Bu, nano ölçekli özelliklerinden yararlanarak malzemelerin özelleştirilmesi için yeni yollar açabilir.”
Aspelmeyer; “Mevcut hassasiyetimizi cihazı geliştirmek için çalışıyoruz. Bu, asıl amacımız olan partikülün kuantum durumunu derinlemesine incelemek veya hatta kontrol etmek için partikül ile kavitenin etkileşimini kullanmamıza izin verecektir.”
Minik Ölçümler Yapmak
Yeni yöntem, geleneksel bir optik tuzağı havaya kaldırarak, nanoparçacık konumunu izlemek için fotonik kristal boşluğu denilen hafif kılavuz nano ölçekli bir cihaz kullanır. Optik yakalama, bir nesneyi yerinde tutmak için bir kuvvet uygular. Bu amaç ile odaklanmış bir lazer ışını kullanır. Bu teknik, fizikteki 2018 Nobel Ödülü’nün öncüsü Arthur Ashkin’in ödülü ile tanındı.
Aspelmeyer; “Kuantum fiziği yasalarının atomların ölçeğine ve moleküllerin ölçeğine uygulandığını biliyoruz. Ancak bir nesnenin ne kadar büyük olduğunu ve hala kuantum fiziği fenomeni sergileyip sergilemediğini bilmiyoruz. Bir nanopartikülü yakalayarak ve fotonik kristal boşluğuna bağlayarak, atomlardan veya moleküllerden daha büyük olan ve kuantum davranışlarını inceleyen bir nesneyi izole edebiliriz.”
Yeni cihaz, ışığın dalga boyundan daha dar olan uzun bir fotonik kristal boşluğu kullanarak yüksek bir hassasiyet seviyesi sağlar. Bu, ışığın nano ölçek boşluğuna girdiği ve ilerlediği zaman, bir kısmının dışarı kalacağı ve evanesan alan* denen şeyi oluşturduğu anlamına gelir. Bir cisim, fotonik kristale yakın bir yere yerleştirildiğinde evanesan alan değişir, bu da ışığın fotonik kristalden ölçülebilir bir şekilde nasıl yayıldığını değiştirir.
Araştırmacılardan Lorenzo Magrini; “Fotonik kristaldeki ışığın nanopartiküle tepki olarak nasıl değiştiğini inceleyerek, çok yüksek çözünürlükte zamanla nanopartikülün konumunu anlayabiliriz.”
Her Fotonun Toplanması
Yeni cihaz, neredeyse sıkışan nanopartikül ile etkileşime giren her fotonu algılar. Bu sadece son derece yüksek hassasiyete ulaşmasına yardımcı olmakla kalmaz. Aynı zamanda yeni yaklaşımın, fotonların çoğunun kaybolduğu diğer yöntemlere kıyasla çok daha az optik güç kullandığı anlamına gelir.
Araştırmacılar, vakum koşullarında, tespit edilen her bir foton için, bir optik tuzakta nanoparçacık yerini alarak ölçülmesi için geleneksel yöntemlerden iki kat büyüklükte bir hassasiyet gösterdi. Ayrıca, boşluğun partikül ve evanesan alanı arasındaki etkileşimin kuvvetinin, daha önce bildirilmiş olandan üç kat büyüklükte olduğu da bildirildi. Daha güçlü etkileşim, fotonik boşluğun parçacık hareketi hakkında daha fazla bilgi algılayabilmesi anlamına gelir.
Araştırmacılar, dünyadaki diğer birçok araştırma grubuna benzer şekilde, kuantum ölçümlerini gerçekleştirmeye çalışıyorlar. Şimdi kurulumlarını geliştirerek cihazın hassasiyetini önemli ölçüde artırmak için çalışıyorlar. Bu, ölçümler, bir partikülün çevreden izole edilmesini arttıran daha güçlü vakum koşulları altında gerçekleştirilmesine izin verecektir. Kuantum mekaniğinin yanı sıra, yeni cihaz, mikroskobik uzunluk ölçeklerinde ortaya çıkabilecek ivme ve diğer kuvvetleri kesin olarak ölçmek için kullanılabilir.
*Evanesan Alan: Elektromanyetik bir dalga olarak yayılmayan fakat enerjisinin mekansal olarak yoğunlaşarak salınan bir elektrik veya manyetik alandır.
