Karanlık bir odaya girip bir düğmeye dokunmamızla birlikte odanın ışıkla dolması, her gün karşılaştığımız ve olağan karşıladığımız bir olaydır. Aslında burada gerçekleşen durumu, fizikçiler ışığın parçacık doğası ile açıklıyor. Fluoresan tüpte uyarılmış durumda bulunan bir atom ya da molekül, kendiliğinden (spontane biçimde) daha düşük enerjili bir duruma bozunurken foton salar. Foton gözümüze girdiğinde, benzer bir süreç bu kez tersinden işler. Foton, retinadaki bir molekül tarafından emilir ve fotonun enerjisi o molekülü uyarılmış bir duruma çıkarır.

Işık hem parçacıktır, hem de dalgadır. Bu ikili doğa, atom ve moleküllerin yaşadığı cüceler ülkesinde hüküm süren fiziğin temelinde bulunur. Yine de sözünü ettiğimiz durum için ışığın dalga doğasını görmezden gelmekte bir sakınca görülmez.

Washington Üniversitesi St.Louis Kampüsü'nden fizikçi Kater Murch, bu konuda içimize bir kurt düşüreceğe benziyor. Dünyadaki pek çok laboratuvarın tersine, kendiliğinden yayılım (İng. spontaneous emission) araştırmaları için ışığın parçacık doğasına değil, dalga doğasına duyarlı cihazlar kullanana Murch, elde ettiği bulguları Nature Communications dergisinde yayımladı.

Kurduğu deney düzeneğinde bir yapay atom (iki durumlu ya da enerji düzeyli bir süperiletken devre) ve bir interferometre (girişimölçer) yer alıyor. Salınan ışığın elektromanyetik dalga doğası, bu interferometre içinde aynı frekansa sahip bir referans dalgası ile girişim yapıyor.

Murch, bu şekilde yapılan algılamanın her şeyi tepetaklak ettiğini söylüyor. Bir foton dedektörünün size kendiliğinden yayılım hakkında söyleyebileceği tek şey, atomun uyarılmış durumda mı, yoksa taban durumunda mı olduğu olabilir. İnterferometre ise atomun bir kuantum durumlar uzayındaki (iki durumunun olası tüm kombinasyonlarını veya süperpozisyonlarını içerir) yayınımını yakalıyor.

Bu iş pek de öyle kolay bir şey değil; çünkü araştırmacıların izini sürdüğü sinyal (tek bir fotonla ilişkilendirilen elektromanyetik alan) çok zayıf. Girişim deseninde gördüklerinin çoğu da kuantum gürültü oluyor. Ama gürültü, yapay atomun durumu hakkında tümleyici bilgiyi taşıyor. Bu açıdan bakıldığında yapay atom daha düşük bir enerji durumundan, daha yüksektekine geçebilir; hem de taban durumuna doğru kaçınılmaz güzergahında ilerlerken bile. Murch, foton dedektörleriyle böyle bir şeyin asla görülemeyeceğini belirtiyor.

Buradan anlaşılacağı üzere, farklı dedektörler kendiliğinden yayılım olayını epey farklı görüyor. Işığın dalga doğasına bakarak, değişimin durumlar arasında yayılışını görebiliyoruz. Üstelik daha da ilginci, atomun ortalama uyarılmışığının bozunurken bile artabilmesi, ışığa nasıl baktığımızın onu salan atomlar üzerinde kontrolümüz olmasını sağlayabileceğine işaret ediyor.

Bunu neden-sonuç ilişkisinin tersine benzetebiliriz; sonucun nedeni kontrol edişi gibi. Bu durum kuantum dolaşıklık sayesinde mümkün oluyor. Bir atom ışık yaydığında, kuantum fiziğine göre ışığın ve atomun dolaşıklaşması gerekir. Böylece birinin bir özelliği ölçüldüğü anda, diğerinin de o özelliğinin değerine ilişkin bilgi anında edinilir. Atom ile fotonun ne uzaklıkta oldukları önemsizdir. Bu etki sayesinde, Murch'a göre, ışık dedektörünü kullanarak ışık kaynağını kontrol etme şansımız olabilir.

Aşağıdaki videoda, kendiliğinden yayılım söz konusu olduğunda dalga dedektörünün parçacık dedektöründen daha fazla bilgi sağlayabileceği Dr.Murch tarafından anlatılıyor. Telif: Kater Murch

---

Kaynak: Phys.org, "Experiment suggests it might be possible to control atoms entangled with the light they emit by manipulating detection"
< http://phys.org/news/2016-05-atoms-entangled-emit.html >

İlgili Makale: M. Naghiloo et al, Mapping quantum state dynamics in spontaneous emission, Nature Communications (2016). DOI: 10.1038/ncomms11527

---