Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) fizikçileri, bireysel yüklü moleküllerin veya moleküler iyonların kuantum özelliklerini kontrol edebilecek bir çözüm yolu buldu. Çözüm, deneysel bir NIST Atom Saati kullanan aynı tür “kuantum mantığı” ile mümkündür.
Yeni teknik, molekülleri lazer soğutma kadar etkin bir şekilde kontrol edebilmek gibi zor bir amaca ulaşıyor. Atomların kuantum kontrolü, atomik fizikte devrim yarattı ve Atomik Saatler gibi uygulamaları ortaya çıkardı. Fakat lazer soğutma ve moleküllerin kontrolü aşırı derecede zordur, çünkü atomlardan çok daha karmaşıktır.
Atomik Saat: Atomların rezonans frekanslarını sayarak zamanı ölçen bir saat çeşididir. 3 milyon yılda bir saniye hata yapmalarının ihtimali sadece % 22,522’dir.
NIST tekniği halen bir lazer kullanıyor, ancak molekülü hassas şekilde araştırmak için; kuantum durumunu direk olarak tespit etmek gerekir. Moleküler iyonların kontrolü (bu atomların birbirine bağlı birkaç atomu ve elektrik yükü taşıması gibi…); kuantum bilgi işleme için daha sofistike mimarilerin, temel fizik araştırmasında “elektron yuvarlaklığının ölçülmesi” gibi sinyallerin çoğaltılmasını ve kimyasal reaksiyon kontrollerinin artırılmasını sağlar.
NIST Fizikçi James Chinwen Chou, “Birçok molekül türü için geçerli yöntemler geliştirdik. Atom iyonları ile oynayabildiğiniz her işlem, moleküler iyonlarla artık erişilebilir durumdadır. Bilim adamlarının lazer soğutması ve atomları yakalaması, hassas metrolojide (ölçübilimde) karşılaştırılabilir, tüm bunları moleküller ile gerçekleştirmek bizim hayalimizdi”
Atomlarla karşılaştırıldığında, moleküllerin kontrol edilmesi daha zordur, çünkü birçok elektronik enerji seviyesi, titreşim ve rotasyonda daha karmaşık yapılara sahiptirler. Moleküller birçok farklı sayıdan ve atom kombinasyonundan oluşabilir ve bir metrenin uzunluğundan daha büyük DNA telleri kadar geniş olabilirler.
NIST metodu moleküler iyonun kuantum halini (elektronik, titreşim ve dönme) bulur ve böylece daha önce bilinen tekniklerle lazer ile soğutulup kontrol edilebilen ikinci bir iyona, yani atomik bir iyona aktarır. Araştırmacıların amaçları; NIST’in kuantum mantık saatinden esinlenerek, moleküler iyonu manipüle etmek ve başarılı olurlarsa iyon çiftine senkronize bir hareket başlatmaktır. Manipülasyon, molekül belirli bir durumda ise hareketi tetikleyebilecek şekilde seçilir. “Evet” veya “hayır” cevabı atomik iyon tarafından bildirilir. Teknik, molekülün kuantum durumlarını, onları yok etmeden gösterir.
Yazar Dietrich Leibfried, “Molekül doğru durumdaysa titreşir, atom bu sallantıyı fark eder ve sallantıyı hissedebileceğimiz hafif bir sinyal haline getirebilir. Bu durum, körler için yazılan Braille alfabesi gibidir. Okumak yerine molekül halini hissediyoruz ve atomik iyon mikroskobik parmağımız oluyor.”
*Moleküllerin kuantum kontrolü için NIST tekniğinin canlandırılması. Hanacek / NIST
Leibfried, “Ayrıca yöntem, kurulumu değiştirmeden geniş bir molekül grubuna uygulanabilir olmalıdır. NIST tekniği; başka çalışmalarda kullanılabilecek, hassas ölçüm araçlarını geliştirmek için de fayda sağlayacaktır. “
Deneyi gerçekleştirmek için NIST araştırmacıları, 2004 kuantum ışınlama testinde kullanılan Anyon Tuzağı da dahil olmak üzere, eski ancak hala işlevsel olan ekipmanları rafa kaldırdı. Sadece, aynı laboratuvarda devam eden kuantum mantıksal saatten lazer ışığı yönteminden faydalandılar.
Araştırmacılar oda sıcaklığında yüksek vakumlu bir bölmede birkaç milyonda bir-iki kalsiyum iyonunu sıkıştırdı. Hidrojen gazı, kalsiyum reaksiyona girene kadar, vakum haznesine sızdırılmış ve bir kalsiyum hidrid (CaH +) moleküler iyonu, bir kalsiyum iyonu ve bir hidrojenatom birbirine yapıştırılarak, oluşturuldu.
Yay ile birleştirilen bir çift sarkaç gibi; iki iyon, elektriksel yüklerinin fiziksel yakınlığı ve itici etkileşimi nedeniyle ortak bir hareket geliştirebilir. Araştırmacılar atomik iyonu soğutmak için bir lazer kullandılar, böylece molekülü en düşük enerjili hale getirdiler. Atom sıcaklığı, moleküler iyondayken en düşük elektronik ve titreşim halindedir; ancak rotasyonel hallerin karışımı olarak kalır.
Ardından araştırmacılar, molekülün 100’den fazla rotasyon durumundan ikisi arasında geçiş yapmak için iyonların elektronik veya titreşim durumlarındaki değişiklikleri önlemede kullanılan, ışıkla ayarlanmış, infrared lazer darbelerini uyguladılar. Bu geçiş gerçekleştiğinde, iki iyonun paylaştığı harekete bir kuantum enerji eklendi. Ardından araştırmacılar paylaşılan hareketteki değişikliği atomik iyonun iç enerji seviyesindeki bir değişime dönüştürmek için, ek bir lazer darbesi uyguladılar. Atomik iyon, ışık saçmaya başladı ve moleküler iyonun durumunun değiştiğini ve arzulanan hedef hâlinde olduğunu bildirdi.
Sonunda araştırmacılar, lazerle indüklenen geçişler sırasında yayan ve emilen ışıktan açısal momentumu, örneğin molekülün dönme durumunu istenen yöne getirmek için konumunu değiştirdiler.
Yeni teknikler çok çeşitli olası uygulamalar içerebilir. JILA’daki diğer NIST bilim insanları, lazerleri belli yüklü molekül bulutlarını, belli şekillerde manipüle etmeyi önceden denemişti, ancak yeni NIST teknolojisi, birçok farklı türde daha büyük moleküler iyonları daha fazla şekilde kontrol etmek için kullanılabiliyor.
Chou, moleküler iyonların kuantum bilgisini depolamak ve dönüştürmek için atomik iyonlardan daha fazla seçenek sunduğunu belirtti ve ekledi: ”Örneğin, kuantum bilgisini, süper iletken bileşenler gibi farklı donanım türlerine dağıtmak için daha çok yönlülük sunabilirler.
Bu yöntem aynı zamanda, doğanın temel “sabitlerinin”, zaman içerisinde değişip değişmediği gibi derin fizik sorularına cevap vermek için de kullanılabilir. Kalsiyum hidrid moleküler iyonu, bu gibi soruları cevaplamak için bir öneri olarak tanımlanmıştır. Buna ek olarak, elektronun elektrik dipolemomentinin (partikül yük dağılımının yuvarlaklığını belirten bir miktarın) ölçümleri için, aynı anda yüzlerce iyonun tüm yönlerini tam olarak kontrol etme yeteneği, bilim insanlarının ölçmek istedikleri sinyalin gücünü de artıracaktır. “
