Kuantum fiziğinin etkileri yalnızca atomlar ve atom altı parçacıklarla mı sınırlı, yoksa gözle görebildiğimiz nesnelerde de ortaya çıkabilir mi? Japonya'daki Okinawa Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (OIST) araştırmacıları, bu soruya yanıt ararken santimetre boyutundaki bir elması kuantum kaynaklı bir kuvvetle hareket ettirmeyi başardı. Science Advances dergisinde yayımlanan çalışma, kuantum etkilerinin makroskobik nesneler üzerindeki sonuçlarını incelemek açısından yeni bir deneysel yaklaşım sunuyor.
Araştırmacılar, 128 miligram ağırlığındaki ve yaklaşık 1 santimetre büyüklüğündeki bir elmasın hareketini kuantum özelliklerinden yararlanarak değiştirdi. Ölçülen yer değiştirme yaklaşık 100 nanometreyle sınırlı olsa da deneyin önemi, bu kadar küçük bir kuantum etkisinin çok daha büyük bir nesnede ölçülebilir bir mekanik tepki oluşturabilmesinde yatıyor.
Elde edilen sonuç, fizik dünyasının ünlü Schrödinger'in kedisi düşünce deneyini gerçek koşullarda araştırma hedefine doğru atılmış bir adım olarak değerlendiriliyor. Ancak araştırmacılar henüz büyük bir nesneyi aynı anda iki farklı kuantum durumunda tutmayı başarmış değil.
Kuantum fiziği ile klasik fizik arasındaki sınır
Klasik fizik, günlük hayatta karşılaştığımız büyük nesnelerin hareketlerini ve kütle çekiminin etkilerini açıklarken kuantum mekaniği atomik ve atom altı ölçekteki davranışları tanımlıyor. Bu iki kuramsal çerçeve kendi alanlarında başarılı sonuçlar verse de kütle çekimini kuantum mekaniğiyle aynı çatı altında açıklamak fiziğin çözülmemiş problemleri arasında bulunuyor.
Bu sorunu araştırmanın yollarından biri, yeterince büyük kütleli nesnelerin kuantum özellikleri gösterip gösteremeyeceğini incelemek. Bunun için nesnelerin kuantum süperpozisyonu adı verilen, birden fazla olası durumun aynı anda bulunabildiği koşullara getirilmesi gerekiyor.
Ancak deneysel açıdan ciddi engeller var. Kuantum durumları, sıcaklık değişimleri ve titreşimler gibi çevresel etkiler nedeniyle kolayca bozulabiliyor. Ayrıca kütle çekiminin kuantum ölçekteki etkilerini belirlemek son derece zor. Çalışmanın baş yazarı ve OIST Kuantum Makineleri Biriminde doktora öğrencisi olan Anshuman Nayak, kütle çekiminin kuantum doğasını araştırmak için yeterli kütleye sahip nesnelerin kuantum süperpozisyonuna sokulması gerektiğini belirtiyor. Bu nesnelerin çevresel gürültüden olabildiğince uzak tutulması için vakum ortamında havada asılı kalabilmeleri de büyük önem taşıyor.
Geleneksel deneylerde genellikle çok küçük parçacıklarla başlanıyor ve kullanılan nesnelerin kütlesi aşamalı olarak artırılıyor. Ancak optik tuzaklar gibi yöntemlerle daha büyük cisimleri havada tutmak giderek zorlaşıyor.
OIST araştırmacıları bu nedenle farklı bir yaklaşım benimsedi. Küçük nesneleri büyütmek yerine, başlangıçtan itibaren santimetre ölçeğindeki bir cisim üzerinde çalışmayı tercih ettiler.
Elmasın içindeki atomik kusurlar kullanıldı
Deneyin merkezinde, yapısında özel atomik kusurlar bulunan bir elmas yer aldı. Azot-boşluk merkezi olarak bilinen bu kusurlar, elmasın kristal yapısındaki bir karbon atomunun yerini azot atomunun alması ve hemen yanında boş bir atom konumunun bulunmasıyla oluşuyor. Bu merkezlerin negatif yüklü durumları, lazer ışığı ve mikrodalgalar kullanılarak kontrol edilebilen kuantum spin özelliklerine sahip. Araştırmacılar da bu özelliklerden yararlanarak kuantum düzeyindeki değişimlerin elmasın fiziksel hareketini nasıl etkilediğini incelemeye çalıştı.
Deney düzeneğinde elmas, grafit ve mıknatıs kullanıldı. Ekip, manyetik alan karşısında itici tepki oluşturan diyamanyetik levitasyon yönteminden yararlandı. Bu prensip, maglev trenlerinin havada tutulmasında kullanılan teknolojilerle de ilişkilendiriliyor.
Araştırmacılar, yaklaşık 1 santimetre büyüklüğündeki elmasın mıknatısa verdiği tepkiyi lazer açık ve kapalı durumdayken hassas biçimde ölçtü. Elmasın içindeki azot-boşluk merkezlerinin kuantum spin katkısı değiştirildiğinde cismin konumunda da küçük bir değişim ortaya çıktı.
Ölçümler, kuantum spin katkısındaki değişimin elması yaklaşık 100 nanometre hareket ettirebildiğini gösterdi. Bu mesafe günlük ölçekte son derece küçük olsa da santimetre boyutundaki bir nesne üzerinde kuantum kaynaklı mekanik etkinin gözlemlenmesi açısından dikkat çekici.
Schrödinger'in kedisi deneyine bir adım daha
OIST araştırmacılarından Profesör Jason Twamley, çalışmanın ulaştığı ölçeğe dikkat çekiyor. Twamley'e göre ekip, mevcut ileri düzey spin-mekanik deneylerinde kullanılanlardan sekiz ila dokuz kat daha yüksek kütleli bir nesnenin kuantum kuvvetine klasik mekanik bir tepki verdiğini gözlemledi. Buradaki önemli ayrım, kuantum etkisinin bir nesneyi hareket ettirmesiyle nesnenin kendisinin kuantum süperpozisyonunda bulunmasının aynı şey olmaması.
Schrödinger'in kedisi düşünce deneyi, kuantum mekaniğinin alışılmadık özelliklerinin günlük hayattaki büyük nesnelere uygulanması durumunda ortaya çıkan soruları anlatıyor. Ünlü düşünce deneyinde bir kedinin kuantum süperpozisyonuyla ilişkilendirilen iki farklı olası durumda bulunması ele alınıyor.
OIST ekibinin çalışmasında ise elmasın bu tür bir süperpozisyona girdiği gösterilmedi. Bunun yerine, elmasın içindeki kuantum spin özelliklerinin cismin hareketi üzerinde ölçülebilir bir etki oluşturduğu ortaya kondu.
Araştırmacıların bir sonraki hedefi, deney koşullarını iyileştirerek daha büyük kütleli nesnelerde kuantum süperpozisyonuna ulaşmak. Böyle bir sonuç, kuantum mekaniğiyle Einstein'ın genel görelilik kuramı arasındaki ilişkiyi araştırmak için yeni deneysel imkanlar sağlayabilir.
Çalışma aynı zamanda nanometre ölçeğindeki kuantum etkilerinin santimetre boyutundaki sistemlerde ölçülmesine yönelik yöntemlerin geliştirilmesi açısından da önem taşıyor. Araştırmacılar, elde edilen yaklaşımın gelecekte daha hassas sensörlerin geliştirilmesinde kullanılabileceğini değerlendiriyor.