Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’ndeki (NIST) fizikçiler; kuantum ölçeğinde manyetizmayı simüle etmek ve gizemli karanlık maddeden sinyalleri algılamak için yeni olanaklar açan, “flaşla dondurulmuş” 150 berilyum iyonundan oluşan bir düz kristal (elektrik yüklü atomlar) oluşturdular.
Birçok araştırmacı, yıllardır çıplak gözle görülebilen, yeterince büyük olan titreşen nesneleri kuantum mekaniğinin izin verdiği minimum hareketin olduğu noktaya, (atom ölçeğinde maddenin davranışını yöneten teoriye kadar) soğutmaya çalıştı. Soğuk daha iyidir, çünkü cihazı daha hassas, daha kararlı ve daha az bozuk, dolayısıyla pratik uygulamalar için daha kullanışlı hale getirir. Ancak şimdiye kadar, araştırmacılar yalnızca birkaç tür titreşimi azaltabildiler.
NIST deneyinde; manyetik ve elektrik alanları iyonları soğutmuş, hapsetmiş ve böylece 250 mikrometre (metrenin milyonda biri) çapında bir disk oluşturmuşlardır. Disk bir kristal olarak kabul edilir, çünkü iyonlar düzenli olarak tekrar eden bir sistemde düzenlenir.
Physical Review Letters‘da açıklandığı gibi, NIST araştırmacıları kristali sadece 200 mikrosaniyede (saniyenin milyonda biri) soğutmuşlardı. Böylece her bir iyon, tek bir foton tarafından taşınan enerjinin yaklaşık üçte birine sahipti. Bu, baskı uygulanan kulak zarının yukarı ve aşağı hareketlerine benzer olan kristalin “drumhead” (kulak zarı) titreşimleri için; mümkün olan en düşük kuantum “temel” durumunda* enerji miktarına çok yakındır.
Araştırmacılar, her bir iyon için bir tane olmak üzere, 150 adet kulak zarı titreşimini soğutup yavaşlattı. Çalışma, bu teknik kullanılarak yüzlerce iyonun, toplu olarak sakinleştirilebileceğini gösterdi. Başka bir grup tarafından 18 iyon çizgisini soğutan bir önceki gösteriye göre önemli bir ilerlemedir.
Bu gösterimle soğutulan frekanslardaki titreşimler için, bir fonon** tarafından taşınan enerjinin üçte biri, 50 microKelvin veya mutlak sıfırın üzerinde bir derecenin 50 milyonda birine karşılık gelir. (eksi 459.67 °F veya eksi 273.15 °C)
Ekibin Lideri Bollinger: “Rekor kıran bir sıcaklık olmasa da, bu seviye tüm drumhead modları için, kuantum mekaniğinin temel durumuna yakın, yani termal hareket böyle yüksek derecede sınırlı bir sistem için küçüktür.”
Çok fazla soğutma sağlamak için araştırmacılar, kristalde belirli frekanslarda ve güç seviyelerinde iki lazeri hedef aldılar. Lazerler; iyonların enerji seviyelerini iyon kristalini harekete eklemeden enerji kaybına neden olacak şekilde bağladılar. Kristal tarafından saçılan birçok lazer ışını partikülü için iyonlar hareketi kaybetti ve böylece kristali soğutmuş oldu.
Yöntem, disk şeklindeki kristalin yan yana hareketi gibi diğer titreşim tiplerini soğutmamıştır. Ancak, drumhead hareketleri en pratik kullanımlara sahiptir. Kuantum simülasyonlarında ve kuantum sensörlerinde sadece drumhead titreşimler kullanılır.
Colder drumhead (soğuk-kulak zarı) titreşimleri; iyon kristalini, geleneksel bilgisayarlarda hesaplanması zor olabilen daha gerçekçi bir kuantum manyetizma simülatörü haline getirecektir. Toprak altı soğutması ayrıca daha karmaşık dolaşmış kuantum sistemlerine izin vermeli ve kuantum algılama uygulamaları için daha iyi ölçümler yapmalıdır.
Bollinger: “Araştırma konusunda heyecanlı olduğumuz kuantum algılama uygulaması, çok zayıf elektrik alanların algılanmasıdır. Zemin soğutması ile elektrik alanlarını belirli karanlık madde türlerini aramaya olanak verecek düzeyde geliştiriyoruz: Eksenler (varsayımsal atom altı parçacıklar) ve gizli fotonlarla (henüz görülmeyen kuvvet taşıyıcıları)…”
Gelecekteki araştırmalar, çok boyutlu iyonlarla üç boyutlu kristalleri soğutmaya çalışacaktır.
*Kuantum mekaniğindeki temel durum: Bir atom veya molekülün minimum enerjisidir.
**Fonon (Phonon): Bir malzemeye enerji transfer eden elastik dalga.
