Fizikçiler; doğrudan gözlem yoluyla, bir atom gazı gibi izole edilmiş kuantum sistemini tanımlayan temel ayrıntıları elde etmenin yeni bir yolunu gösterdi. Yeni yöntem; benzeri görülmemiş uzamsal çözünürlüğe sahip, sistemdeki belirli yerlerde atom bulma olasılığı hakkında bilgi veriyor. Bu teknikle, bilim insanları, bir virüsün genişliğinden daha küçük olan onlarca nanometre ölçeğinde ayrıntılar elde edebilirler.
Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) ile Maryland Üniversitesi arasında bir araştırma ortaklığı olan Ortak Kuantum Enstitüsünde (JQI) yapılan deneyler; binlerce teli belirleyen bir lazer ışık ağı olan optik bir kafes kullanır. Bu bir atomun herhangi bir yerde bulunma olasılığı gösterir. Kafes içindeki her bir atom; diğerleri gibi davrandığından, tüm atom grubundaki bir ölçüm, bir atomun uzayda belirli bir noktada olma olasılığını ortaya koymaktadır.
Physical Review X dergisinde yayınlanan JQI tekniği; atomları aydınlatmak için kullanılan ışığın dalga boyunun hemen altındaki atomların konumlarının olasılığını verebilir. Optik mikroskopinin normalde çözebileceği sınırdan 50 kat daha iyidir.
JQI Araştırmacı Fizikçi Trey Porto: “Bu kuantum mekaniğini gözlemleme yeteneğimizin bir göstergesidir. Bu hassasiyete yakın hiçbir yerde atomlarla yapılmamıştır.”
Kuantum sistemini anlamak için fizikçiler sık sık “dalga fonksiyonu” hakkında tartışıyorlar. Bu sistemi tanımlamaK için gereken tüm bilgileri içeriyor.
JQI Fizikçi Steve Rolston: “Bu sistemin tanımıdır. Dalga işlevi bilgisine sahipseniz, nesnenin manyetizması, iletkenliği ve ışığı yayma ya da absorbe etme olasılığı gibi, onunla ilgili her şeyi hesaplayabilirsiniz.”
Dalga fonksiyonu; fiziksel bir nesne değil matematiksel bir ifade olsa da; ekibin yöntemi, dalga fonksiyonunun tanımladığı davranışı ortaya koyabilir: Kuantum bir sistemin bir diğerine karşı bir şekilde davranması olasılığı… Kuantum mekaniği dünyasında, olasılık her şeydir.
Tüm nesneler bu dalgalı davranışa sahip olabilir, ancak yardımsız gözlerin görebileceği kadar büyük olan herhangi bir şey için, etki algılanamaz ve klasik fiziğin kuralları yürürlüktedir; binalar, kovalar veya ekmek kırıntılarının dalgalar gibi yayıldığını fark etmiyoruz. Fakat bir atom gibi küçük bir nesneyi izole edin ve durum farklıdır, çünkü atom kuantum mekaniğinin etkilerinin yüce saltanat ettiği bir boyut aleminde mevcuttur. Nerede bulunduğunu kesin olarak söylemek mümkün değil, sadece bir yerde bulunacağını söylemek mümkün. Dalga fonksiyonu, atomun herhangi bir yerde bulunabileceği olasılık kümesini sağlar.
Kuantum mekaniği fizikçiler tarafından, yeterince iyi anlaşılsa da; basit bir sistem için, uzmanlar, dalga fonksiyonunu gözlemlemek zorunda kalmadan ilk prensiplerden hesaplayabilirler. Yine de birçok sistem; karmaşıktır.
Rolston: “Hesaplanamayan kuantum sistemler var, çünkü onlar çok zor. Bu yaklaşım bu durumları anlamamıza yardımcı olabilir.”
Dalga fonksiyonu sadece bir dizi olasılık tanımladığından, fizikçiler etkilerini kısa bir sırayla nasıl tam olarak anlayabilirler? Ekibin yaklaşımı; aynı anda çok sayıda aynı kuantum sistemini ölçmeyi ve sonuçları tek bir genel resim halinde birleştirmeyi içerir. Aynı anda 100.000 çift zar atmak gibi bir şeydir. Her bir rulo tek bir sonuç verir ve tüm zarların değerlerini gösteren olasılık eğrisinde tek bir noktaya katkıda bulunur.
Takımın gözlemlediği şey; optik kafesin lazerlerinde askıya aldığı yaklaşık 100.000 atomun pozisyonlarıydı. İtterbium atomları komşularından izole edilir ve bir boyutlu çizgi parçası boyunca ileri geri hareket etmesiyle sınırlandırılır. Yüksek çözünürlüklü bir resim elde etmek için ekip; bu çizgi parçalarının dar dilimlerini ve her bir atomun kendi diliminde ne sıklıkta ortaya çıktığını gözlemlemenin bir yolunu buldu. Bir bölgeyi gözlemledikten sonra, ekip bütün resmi görene kadar başka bir tane daha ölçtü.
Rolston: “Atomları yıllardır yakalamak için optik bir kafes kullanıyoruz ve şimdi yeni bir tür ölçüm aracı haline geldi.”
