Albert Einstein’ın genel görelilik kuramı, kütleçekimi uzay ve zamanın geometrik bir özelliği olarak tanımlar. Bir nesnenin kütlesi ne kadar büyükse, uzay-zamanda yarattığı bükülme o kadar büyük olur ve bu bükülme kütleçekim olarak hissedilir.

1970’li yıllarda fizikçiler Stephen Hawking ve Jacob Bekenstein, kara deliklerin yüzey alanları ile entropilerini belirleyen mikroskobik kuantum yapıları arasında bir bağlantı fark etti. Bu da Einstein’ın genel göreliliği ile kuantum mekaniği arasında kurulan ilk bağlantı olarak kayıtlara geçti.

30 yıla yakın süre sonra ise kuramsal fizikçi Juan Maldacena, kütleçekim ile kuantum dünyası arasında bir başka bağlantı gözlemledi. Bu bağlantı, bir nesnenin farklı yüzey bölgeleri arasındaki dolaşıklık miktarını değiştirerek, uzay-zamanın yaratılabileceğini veya yok edilebileceğini öne süren bir modelin geliştirilmesine yol açtı. Diğer bir deyişle bu model, uzay-zamanın, nesneler arasındaki dolaşıklığın bir ürünü olduğunu öne sürüyor.

Bu düşünceyi daha derinlemesine incelemek için, Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü’nden (Caltech) ChunJun Cao ve Sean Carroll, uzay-zamanın kuantum dolaşıklıktan meydana çıktığı yapıyı kullanarak, kütleçekimin  (genel görelilikten aşina olduğumuz) dinamik özelliklerini türetip türetmeyeceklerini görmek için yola koyuldular. Çalışmalarını, çevrimiçi arXiv platformunda yayımladılar.

Hilbert uzayı adı verilen soyut bir matematiksel kavram yardımıyla, Cao ve Carroll kuantum dolaşıklık üzerinde hüküm süren denklemler ile Einstein’ın genel görelilik denklemleri arasında benzerlikler bulmayı başardılar. Bu da, uzay-zamanın ve kütleçekimin, dolaşıklıktan ortaya çıktığı fikrini destekliyor.

Her Şeyin Kuramı

Günümüzde, evrenimizin fiziksel özellikleri hakkında bildiğimiz neredeyse her şey, genel görelilik veya kuantum mekaniğinden birisi ile açıklanabilir. Genel görelilik, gökadalar ve gezegenler gibi çok büyük ölçekteki hareketleri açıklamakta iyi bir iş çıkarırken, kuantum mekaniği ise atomlar ve atomaltı parçacıklar gibi çok küçük ölçekteki dünyayı anlamamızda bize yardımcı oluyor. Ama yine de bu iki kuram, birbirleri ile pek uyumlu görünmüyor. Bu da fizikçileri “her şeyin kuramı”nı, yani uzay ve zamanın doğası da dahil her şeyi açıklayan bulunması zor bir kuramın arayışına itti.

Kütleçekim ve uzay-zaman, “her şeyin” önemli bir parçası olduğundan, Carroll’a göre göre yaptıkları çalışma, genel görelilik ile kuantum mekaniğini uzlaştıran kuramın arayışında ilerleme kaydedilmesini sağlayabilir. Fakat yine de, çalışmalarının tartışmaya açık ve dar kapsamlı olduğuna da dikkat çekiyor. “Çalışmamız, en azından şimdilik, doğanın diğer kuvvetleri hakkında pek bir şey söylemiyor. Bu nedenle ‘her şeyi’ birbirine entegre etmekten henüz çok uzağız,” diye ekliyor Carroll.

Yine de, eğer böyle bir kuram bulabilirsek, bilimcilerin günümüzde karşılaştıkları en büyük sorunların bir kısmına cevap bulabiliriz. Örneğin karanlık maddenin, karanlık enerjinin, kara deliklerin ve diğer gizemli kozmik nesnelerin gerçek doğasını anlayabiliriz.

Araştırmacılar, bilgi işlem teknolojilerinin geliştirilmesi konusunda halihazırda kuantum dünyasının nimetlerinden faydalanıyorlar ve her şeyin kuramı, insanların kafasını karıştırmaya devam eden konulara yeni bakış açıları getirerek, bu süreci hızlandırabilir.

Kuramsal fizikçilerin her şeyin kuramını arayış süreçleri hala bir nebze “düzensiz” olsa da, tartışmaya açık olsun veya olmasın, her bir yeni araştırma bizi bu kurama ve insanlığın evreni anlayışında yeni bir çağa öncülük etmesine bir adım daha yaklaştırıyor.

Devamı için Uzay-Zaman, Dolaşıklığın Bir Ürünü Olabilir

18 Aralık 2017 tarihinde Physical Review A dergisinde yayımlanan çalışmada, araştırmacılar; parçacığın kendisinin ölçülmesi yerine, parçacığın çevresiyle etkileşme biçiminin incelenerek, gözlemlenmeyen kuantum parçacıklarının izlenebileceğini gösterdiler. Çalışmanın başyazarı ve Cambridge Üniversitesi’nde doktora öğrencisi olan David Arvidsson-Shukur “dalga fonksiyonu” adı verilen bir fizik terimi üzerine yoğunlaştı. Dalga fonksiyonu görünüşte bilgi açısından zengin olmasına rağmen, gerçek kuantum parçacıklarının bir temsilinden ziyade daha çok bir matematiksel araç olarak kullanılagelmiştir.

Parçacıklar hareket ettikçe, çevrelerini “etiketler”. Her bir etiket veya çevreyle etkileşim, bilgiyi parçacıkların içerisine kodlar. Arvidsson-Shukur ve çalışma arkadaşları, parçacıkları doğrudan gözlemlemeden bu “etiketleyici” etkileşmelerin haritalandırılması için bir yöntem geliştirdi. Ayrıca bu etiketleri takip ederek, deneyin sonunda parçacıklar üzerinde gözlem yapıldığında, araştırmacılar bilginin parçacıklardan deşifre edilebileceğini de keşfetti. Bu da bilim insanlarının, kuantum parçacıklarının hareketini takip etmelerini sağlayarak, onlara parçacıkların davranışlarına yönelik daha derin bir bakış açısı kazandırıyor.

Yasaklı Bölge

Gözlemlenmeyen parçacıkların takip edilebilmesini sağlayan bu yöntem, ayrıca bilim insanlarının, kuantum mekaniğinin eski öngörülerini sınamasına da olanak sağlayabilir. Bu öngörüler arasında; bir parçacığın aynı anda iki farklı yerde bulunabilmesi veya iki insan arasında herhangi bir parçacık hareketi olmadan bilginin iletilebildiği telepati gibi öneriler de var. Yani bu çalışma daha önce imkansız olduğu düşünülen bir olayın aslında mümkün olduğunu göstermekle kalmıyor; ayrıca araştırmacıların, telepatinin potansiyel varlığını sınamalarına da olanak sağlıyor. Fakat daha da önemlisi, bu deney fizikçilerin, dalga parçacıkları hakkındaki anlayışlarını genişletiyor.

Daha öncesinde dalga fonksiyonlarının soyut hesaplama araçları olduğu düşünülüyordu ve yalnızca kuantum deneylerinin sonuçlarının öngörülmesi için kullanıldı. Bu çalışmada araştırmacılar, her bir “etiketlemenin” ardından her bir parçacık içerisinde kodlanan bilginin doğrudan dalga fonksiyonu ile ilişkili olduğu sonucuna ulaştı. Bu sonuçlar ise, dalga fonksiyonunun, parçacıkların gerçek durumuyla yakından ilişkili olduğunu gösteriyor. Böylelikle kuantum mekaniğinin “yasaklı bölgesi” keşfedilebiliyor: kimse onlara bakmazken, kuantum parçacıklarının yolları işaretlenebiliyor.

Kuantum fiziğinin temel “gerçekleri”, bu yeni keşfedilen bir yığın bilgiyle sınanabilir ve pek çok yeni keşif yolun ilerisinde bizleri bekliyor olabilir.

Devamı için Parçacıkları Gözlem Yapmadan Takip Etmenin Yeni Bir Yolu Keşfedildi

40 yıl önce, “karışık valans” bileşikleri adı verilen bir materyal sınıfı keşfedildi. Bu bileşiklerin pek çoğu, periyodik cetvelin sonuna yakın elementler, sıklıkla kullanılan isimleriyle “nadir toprak elementleri” içerir. Bu elementlerin valansının, bazı durumlarda sıcaklıktaki değişimle değiştiği keşfedilmişti. Bu elementleri içeren malzemeler egzotik süper-iletkenlik ve sıra dışı manyetizma gibi alışılmadık özellikler gösterebilirler. Fakat karışık valans bileşikleri hakkında henüz çözülmemiş bir gizem bulunmakta: Bu bileşiklerdeki bir elementin valans durumu artan sıcaklıkla birlikte değiştiğinde, o elementle bağlantılı elektronların sayısı da azalıyor. Peki bu elektronlar nereye gidiyor?

X ışını ölçümleri ve Cornell Yüksek Enerji Sinkrotron Kaynağı (CHESS) gibi modern araçlar kullanarak; fizik profesörü Kyle Shen ve kimya profesörü Darrell Schlom’un önderliğindeki bir ekip, bu soruna bir cevap buldu. Çalışmaları, Nature Communications dergisinde yayımlandı. Bu gizemi ele almak için, makalenin başyazarı Shouvik Chatterjee, valansı sıcaklıkla değişen iterbiyum elementi ve alüminyumdan oluşan karışık valans bileşiklerinin ince filmlerini, “moleküler ışın epitaksisi” adı verilen bir yöntemle birleştirdi. Ekip sonrasında, kayıp elektronların nereye gitmiş olabileceğini bulmak amacıyla, elektronların, sıcaklığın bir fonksiyonu olarak dağılımını araştırmak için “açı çözümlü fotoemisyon spektroskopisi” (ARPES) kullandı.

Genellikle herhangi bir malzeme için, sıcaklık değiştirilir ve belirli bir orbitaldeki elektronların sayısı ölçülür ve bu sayı daima aynı kalır. Fakat bu çalışmada incelenen özel malzeme gibi, bu türden malzemelerin bir kısmında, bu sayının değiştiği gözlenmiştir. Fakat bu kayıp elektronların bir yere gitmiş olması gerekir. Sonuç olarak, bileşik ısıtıldığında, iterbiyum atomlarında kaybolan elektronların, atomun dışında kendi “bulutlarını” oluşturdukları ortaya çıktı. Bileşik soğutulduğunda, elektronlar iterbiyum atomlarına geri dönüyorlardı. Bunu şu şekilde canlandırabilirsiniz. İki ayrı bardakta bir miktar su vardır. Bardaklardan birbirine sürekli su döküp durursunuz, fakat her iki bardaktaki toplam su miktarı daima sabit kalır.

Bu olgu ilk defa, 20. yüzyıl fizikçisi Evgeny Lifshitz tarafından öne sürülmüştü; fakat elektron gizemine yönelik cevap şimdiye kadar sunulmamıştı. Chatterjee; “Bu bulgular, malzeme sistemlerindeki valans değişikliklerinin önemine işaret ediyor. Serbest elektronların diziliminin değişmesiyle, bu elektronlar ortaya çıkabilecek benzersiz fiziksel özellikleri çarpıcı bir biçimde etkileyebiliyorlar” diye yorumda bulunuyor.

Kaynak: Where did those electrons go? Decades-old mystery solved

< https://phys.org/news/2017-11-electrons-decades-old-mystery.html >

Referans: Lifshitz transition from valence fluctuations in YbAl₃

< https://www.nature.com/articles/s41467-017-00946-1 > DOI: 10.1038/s41467-017-00946-1

Devamı için Valans Bileşiklerindeki Kayıp Elektronların Gizemi Çözüldü

Florida Eyalet Üniversitesi (FSU) araştırmacıları; kuantum mekaniğinin, periyodik cetvelin sonlarında bulunan ağır ve ender elementlerin nasıl davrandığını yeterince açıklamadığını keşfetti. Bunun yerine, bir diğer iyi bilinen bilimsel teori, Albert Einstein’ın Özel Görelilik Teorisi, tablodaki son 21 elementin davranışlarını belirlemeye yardımcı oluyor. Bu yeni çalışmanın sonuçları, Journal of the American Chemical Society dergisinde yayımlandı.

Kuantum mekaniği esasında; atomların nasıl davranacaklarını belirleyen ve periyodik cetveldeki elementlerin pek çoğunun kimyasal davranışlarını tam olarak açıklayan kurallar bütünüdür. Fakat FSU Kimya bölümünden profesör Thomas Albrecht-Schmitt, konu periyodik cetvelin en ağır ve en az bilinen elementlerine geldiğinde, bu kuralların Einstein’ın Özel Görelilik Teorisi tarafından bir şekilde geçersiz kılındığını buldu.

“Bu tıpkı alternatif bir evrende bulunmak gibi, çünkü günlük hayatta karşılaştığınız elementlerin dışında bir kimya ile karşılaşıyorsunuz.” diye yorumda bulunuyor Albrecht-Schmitt.

Tamamlanması üç yıldan uzun bir süre alan çalışmada, periyodik cetvelin sonlarında bulunan berkelyum (simgesi Bk) kullanıldı. İki düzine araştırmacının yer aldığı çalışmalar süresince, Albrecht-Schmitt bu sıradışı kimyayı sergilemeye başlayan berkelyum elementinden bileşikler oluşturdu. Bu bileşikler, kuantum mekaniğinin alışıldık kurallarına uymuyordu. Özellikle elektronlar, berkelyum atomları çevresinde; oksijen, çinko veya gümüş gibi daha hafif elementler çevresinde yaptıkları gibi dizilmiyorlardı. Bilim insanları genellikle, elektronların aynı doğrultuya yönelecek şekilde dizilmelerini bekler. Mesela bu, demirin mıknatıs gibi davranışını belirler. Ama yine de, bu temel kurallar, söz konusu elementler berkelyum ve ötesindeki elementler olduğunda işlemiyor; çünkü bazı elektronlar, bilim insanlarının uzun zamandır öngördüklerinin aksinde bir dizilim sergiliyorlar.

Araştırma ekibi, berkelyum bileşiklerinde gördüklerini aslında Özel Görelilik Teorisi’nin açıkladığını fark etti. Özel Görelilik Teorisi’ne göre, bir şey ne kadar hızlı hareket ederse, kütlesi o kadar artar. Bu ağır atomların çekirdeği yüksek derecede elektrik yüklü oldukları için, elektronlar ışık hızının kayda değer kesirlerince hızlı hareket etmeye başlar. Bu da elektronların normalden daha ağır hale gelmelerine neden olur ve böylece genellikle elektronların davranışlarına yön veren kurallar işlemez hale gelir.

Berkelyum sıklıkla, bilim insanlarının, periyodik cetvele geçtiğimiz yıl eklenen Tenessin-117 (diğer adıyla Ununseptiyum) gibi yeni elementler sentezlemesinde kullanıldı. Fakat bugüne kadar berkelyumun (veya periyodik cetveldeki birkaç komşusunun) tek başlarına nasıl davranış sergilediğine dair çok az çalışma yapıldı.

ABD Enerji Bakanlığı, Albert-Schmitt’e çalışmasında kullanması için 13 miligram berkelyum verdi. Bu miktar, bu zamana kadar herhangi bir çalışmada kullanılan miktarın kabaca 1000 katı kadar. Bu deneyleri gerçekleştirmek için, Albrecht-Schmitt ve ekibi oldukça hızlı çalışmak zorunda kaldı. Berkelyum radyoaktif bir element ve 320 günlük yarı ömüre sahip. Yani 320 gün sonunda, elementin miktarı yarıya düşüyor. Bu da deneylerde kullanılmak için, yeterince kararlı olmadığı anlamına geliyor.

Kaynak:  Breaking the rules: Heavy chemical elements alter theory of quantum mechanics < https://phys.org/news/2017-10-heavy-chemical-elements-theory-quantum.html >

Referans: Electronic Structure and Properties of Berkelium Iodates < http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.7b05569 > DOI: 10.1021/jacs.7b05569

Devamı için Ağır Elementler Kuantum Mekaniği İlkelerini İhlal Ediyor

Alanının ilk örneği olan bu deneyde, fizikçilerden oluşan bir ekip “saçma gürültüsü limiti” adı verilen sınırı geçmeyi başararak, optik ölçümlerde ışığın tekil parçacıklarından elde edilebilen bilgi miktarını en yüksek seviyeye çıkardılar. Onlarca yıl boyuna, teorik fizikçiler, parçacıkların dolaşık halde oldukları kuantum durumlarında bulunan fotonlarla ölçümler yapmanın, kuantum durumlarında olmayan ışık parçacıklarıyla yapılan ölçümlere kıyasla avantaj sağlayabileceğini düşünüyorlardı.

Fotonlar dolaşık olduklarında, özellikleri birbirleriyle ilişkili olur veya birbirlerine bağlanırlar. Bu da ölçümde daha az rasgelelik olduğu anlamına gelir. Yine de bu dolaşık durumlar sadece, fotonlar yüksek kalitede olduklarında ve kaybolmadıklarında işe yarar. Bireysel ışık parçacıkları, ölçüm cihazı tarafından istem dışı soğurulduklarında veya cihaz içerisinde saçılmaya uğradıklarında veya saptanmadıklarında, ölçüme rasgelelik karışır.

“Saçma gürültüsü limiti” adı verilen bu kısıtlama; bilim insanlarının, kuantum durumlarında bulunan fotonlarla yapılan yüksek hassasiyette ölçümlerin teorik limitlerine ulaşmalarını engellemişti. Fakat Avustralya’daki Griffith Üniversitesi’nden kuantum fizikçisi Geoff Pryde ve ekibinin yaptığı, Nature Photonics dergisinde yayımlanan yeni çalışma sayesinde, artık bu durum söz konusu olmaktan çıktı.

Burada yeni olan şey, yüksek kaliteli fotonların, yüksek verimde üretilebilmesi ve ölçülebilmesi (fotonların kaybolmaması). Ve böylelikle bu tekniğin, teoride açıklandığı gibi gerçekten işe yaraması. Bunu başarmak için, ekip, her birinin özellikleri yüksek kalitede dolaşık fotonlar vermek üzere özenle tasarlanmış doğrusal olmayan bir kristal üzerinden lazer ışını geçirdi. Ardından fotonlar bir örneğe (ölçülmekte olan nesne) aktarıldı, çalışmada bu örnek kuartz kristaliydi. Bu işlemi gerçekleştirerek ve yüksek verimli detektörlerle fotonları ölçerek, ekip, saçma gürültüsü limitinin koşulsuz olarak aşıldığını gösterdi; bunun anlamı aşırı derecede hassas optik ölçümlerde rasgele gürültüler engellenebilmesi.

“Bu durum gösteriyor ki; belirli kuantum durumlarındaki fotonlar, kuantum fiziğinin kullanılmadığı deneylere kıyasla, gerçekten de belirli türde ölçümlerin daha iyi yapılmasını sağlayabilir. Umuyoruz ki, ileride yapılacak eklentiler (iki fotondan daha fazlasını dolaşık hale getirmek gibi) hassas örnekler üzerinde, kesin ölçümler yapabilmek için kullanılabilir.” diye yorumda bulunuyor Pryde.

Bu örneklerin ne olabileceği hakkında, ekip henüz bu konuda konuşmak için çok erken olduğunu belirtiyor. Fakat gelecekte, bu tür bir yöntemin, araştırmacılara malzemeyi çok az ışıkla ölçme imkanı sağlaması mümkün. Bu yöntem, sınırlı sayıda foton kullanarak, biyolojik örneklerin ölçümlerinin yapılmasında kullanılabilir, böylelikle narin numunelere zarar verilmemiş olur.

Fakat şimdilik en büyük başarı, fotonların bu şekilde, kaybedilmeden ölçüm için kullanılabilmesi. Bu da onlarca yıl önce yapılan teorik öngörülerin sayesinde.

Kaynak: BREAKING: Physicists Just Smashed a Quantum Light Measurement Limit
< http://www.sciencealert.com/physicists-just-broke-a-new-quantum-record-for-measuring-with-light >
Referans: Unconditional violation of the shot-noise limit in photonic quantum metrology
< https://www.nature.com/articles/s41566-017-0011-5 > DOI: 10.1038/s41566-017-0011-5

Devamı için Işıkla Yapılan Ölçümlerdeki Hassaslık Sınırı Geçildi

Ekip, bu aşırı soğuk atomlara güçlü bir manyetik alan uygulanmasının, atomların alternatif bir desende dizilmelerine ve birbirlerinden uzak durmalarına neden olduğunu buldu. Araştırmacıların “eğimli antiferromanyetizma” adını verdiği bu davranış, belirli malzemelerde süper iletkenliğin nasıl ortaya çıktığını anlamak için kullanılan onlarca yıllık eski bir modelin öngörüleri ile tutarlıdır. Araştırma bulguları, Science dergisinde yayımlandı.

Deney, kuantum davranışlarının süper iletkenliğe nasıl neden olduğunu açıklayan modeli incelemeye olanak tanıyor. Süper iletkenlik, elektrik akımının herhangi bir dirençle karşılaşmadan akabildiği ve elektrik iletiminde ve güçlü elektromıknatısların yapımında kolaylıklar sağlayan bir durumdur. Geleneksel süper iletkenliğin temeli anlaşılmış olmasına rağmen, araştırmacılar küprat adı verilen, bakır tabanlı malzemelerde, yüksek sıcaklıkta süper iletkenlik kuramını araştırmaya devam ediyorlar.

Küpratların karmaşıklığından dolayı, bu malzemelerdeki hangi özelliklerin akımın dirençle karşılaşmadan akabilmesine olanak sağladığını bulmak için, araştırmacıların bu malzemeleri doğrudan incelemesi zordur. Bunun yerine, lazerler kullanılarak üretilen sentetik kristaller ve aşırı soğuk atomlar kullanarak, araştırmacılar aksi takdirde ele alınması zor olacak problemleri sorma imkanı elde ediyorlar.

Araştırma ekibi; lityum atomlarını, atomların kuantum fiziği yasalarını takip ettiği, mutlak sıfırın bir derecenin onlarca milyarda biri kadar üzerindeki bir sıcaklığa kadar soğuttu. Aşırı soğuk atomları hapsetmek için, lazerler yardımıyla bir kafes oluşturuldu. Optik örgü olarak da bilinen kafes, tamamıyla lazer ışığından meydana gelmiş ve atomların bir yuvadan diğerine zıplayabilecekleri sanal bir yumurta kartonu gibi düşünülebilir. Ekip daha sonra bu kurulumu, spin adındaki kuantum özelliğinden dolayı küçük mıknatıslara benzer şekilde davranabilen tekli atomlar arasındaki etkileşmelere bakmak için kullandı. Her bir atomun spini aşağı veya yukarı doğru yönelmiş olabilir. Eğer iki atom aynı yerde bulunursa, aralarında güçlü bir itici etkileşim meydana gelir ve ayrılırlar, böylelikle her yuvada tek bir atom kalır. Kafesteki komşu yuvalardaki atomlar, spinlerini birbirlerine zıt şekilde doğrultmaya meyillidir.

Araştırma ekibi, aşırı düşük sıcaklıklarda güçlü manyetik aşanlar kullanarak bireysel atomların spinlerini manipüle ettiler. Ekip bunun sonucunda, “eğimli antiferromanyetizma” adı verilen, spinlerin iki boyutlu düzlemde, manyetik alanla doğru açılarda yönelmeyi tercih ettiği, merak uyandıran bir davranış keşfetti. Bu davranış, malzemelerin yüksek sıcaklıkta nasıl süper iletken davranışı gösterdiğini açıklamaya çalışan bir model tarafından öngörüldü. Görsel Telif: Peter Brown, Princeton University

Antiferromanyetizma adı verilen bu etki, soğuk sistemin kuantum doğasından dolayı çok düşük sıcaklıklarda meydana gelir. İki tür spin kitlesi kabaca eşit olduğunda, spinler komşu spinler zıt yönde düzenlendiği müddetçe, herhangi bir doğrultuya dönebilir.

Araştırmacılar atomlara güçlü bir manyetik kuvvet uyguladıklarında, ilgi çekici bir olayla karşılaştı. Örgü içerisindeki bireysel atomları görüntüleyebilecek yüksek çözünürlüklü bir mikroskop yardımıyla, atomların, manyetik alanın gücüyle değişen manyetik korelasyonlarını inceledi. Büyük bir alanın varlığında, komşu spinler zıt yönlenmiş kaldılar, fakat kendilerim, bir düzlemde alanla doğru bir açıda yönelttiler. Daha yakından bakıldığında, araştırmacılar zıt yönelmiş atomların alan doğrultusunda hafifçe eğilmiş olduklarını gördüler, öyle ki mıknatıslar hala zıt tarafa bakmaktaydı fakat düzlem üzerinde hassas bir şekilde yönelmemişlerdi.

Spin korelasyonları geçtiğimiz yıl Harvard Üniversitesi, MIT ve Ludwig Maximillian Üniversitesi’nde yapılan deneylerle gözlenmişti. Fakat Princeton’da yapılan çalışmada ilk defa atomlara güçlü manyetik alan uygulandı ve eğimli antiferromıknatıs gözlendi. Gözlemler, küpratların görece yüksek sıcaklıklarda nasıl süper iletken davranışlar sergilediğini açıklamak için oluşturulan Fermi-Hubbard modeli tarafından öngörülmüştü.

Waseem Bakr; “Fermi-Hubbard modelini iyi anlamak, araştırmacıların, akımı dirençle karşılaşmadan iletebilecek benzer malzemeler tasarlamasına yardımcı olabilir” diye açıklıyor..

Çalışma ayrıca, kafes içerisindeki bazı atomların kaldırılarak, yerlerinde boşluklar bırakıldığı takdirde neler olabileceğini de inceliyor. Araştırmacılar, manyetik alan uygulandığında, alınan tepkinin, küpratlar üzerinde yapılan ölçümlerle uyumlu olduğu sonucuna ulaştı. Bakr; “Öne sürülen Fermi-Hubbard modelinin, malzemelerde gördüklerimizi açıklamak üzere muhtemelen doğru model olduğuna dair daha iyi kanıt bulunamazdı” diye yorumda bulunuyor.

Kaynak: Ultracold atoms point toward an intriguing magnetic behavior < https://phys.org/news/2017-09-ultracold-atoms-intriguing-magnetic-behavior.html >
Referans: Spin-imbalance in a 2D Fermi-Hubbard system < http://science.sciencemag.org/content/357/6358/1385 >

Devamı için Aşırı Soğuk Atomlar İlginç Manyetik Davranışlar Sergiliyor

LIGO ve kardeş deneyi gelişmiş Virgo araştırmacıları dalgaları 14 Ağustos 2017 tarihinde tespit etti. Ekip bulguları, 27 Eylül 2017’de İtalya’daki G7 bilim bakanları toplantısındaki basın konferansında ve Physical Review Letters dergisindeki makalelerinde duyurdular.

Bu gözlem, üç dedektör kullanılarak yapılan ilk kütleçekimsel dalga gözlemi olma özelliği taşıyor: LIGO’ya ait iki dedektör (Louisiana, Livingston’da ve Washington, Hanford’da bulunan iki dedektör) ve Virgo’ya ait İtalya’da Pisa yakınlarındaki dedektör.

Bu dedektör üçlüsü, bilim insanlarının gökyüzünde 60 derecekarelik^* bir alan içerisinde kütleçekimsel dalgaların kaynağının izini sürmelerine olanak sağladı. Gökyüzünün gece gözlemlendiği bir durumda, bu alan, Ay’ın dolunay halinin Dünya’dan görüldüğü alanın yaklaşık 300 katıdır. Dalgalar Dünya’ya yaklaşık 1,8 milyar ışık yıllık bir uzaklıktan, güney yarımküre gökyüzündeki Eridanus takımyıldızı civarındaki bir bölgeden ulaştı.

UZUN KOLLAR: İtalya’daki Virgo dedektörü, kütleçekimsel dalgaların tespiti için ABD’deki iki LIGO dedektörüne katıldı. Virgo, her biri 3 km uzunluğundaki, lazer ışınlarının geri yansıdığı ve sonrasında uzay-zamandaki germe ve sıkışmaların arandığı iki koldan oluşur (kollardan biri görselde görülmektedir).

LIGO daha önce kendisine ait iki dedektörle, üç kara delik çarpışmasını tespit etmişti; her keşifte, bilim insanları dalgaların nereden gelmiş olabileceklerine dair gökyüzünü taradılar, fakat kozmik doğum yerine dair daha detaylı bir bilgi elde edemediler. Yeni keşfedilen kara delikler, daha önce keşfedilen kara deliklerle alakalı alanların, onda biri kadar olan bir alanda yer alıyor. Kütleçekimsel dalgaların gezegen üzerinde bir dedektörden diğerine olan kısa yolculukları zaman aldığı için, her dedektör sinyali çok az farklı zamanlarda aldı. LIGO’nun Livingston dedektörü sinyali ilk olarak aldı, LIGO’nun Hanford dedektörü ise 8 milisaniye sonra, Virgo dedektörü de bundan 6 milisaniye sonra sinyali aldı. Bu gecikmeleri ve her bir dedektörün gördüğü deseni analiz ederek, dalgaların hangi doğrultudan geldiğini çıkarsayabildiler.

Araştırmacılar çarpışan kara deliklerin kütlesini yaklaşık 31 ve 25 güneş kütlesi olarak tahmin ettiler, 3 güneş kütlesi enerjiye dönüşerek kütleçekimsel dalga olarak yayımlandı ve geriye 53 güneş kütleli bir kara delik kaldı.

LIGO ve Virgo dedektörleri 1 Ağustos’ta, Virgo’nun mevcut güncellenmiş haliyle veri toplamaya başladığı zaman işbirliği içerisine girdi. Hem LIGO, hem de Virgo’nun önceki sürümleri herhangi bir kımıldanma tespit etmeden yıllar boyunca çalıştı. Şimdi bu dedektörler ufak sallantıları dahi yakalabilecek kadar hassas durumda. Geliştirilmiş bu üçlü, daha fazla geliştirme için kapatıldıkları 25 Ağustos’a kadar aynı anda çalıştırıldı.

Virgo ayrıca, Einstein’ın genel görelilik teorisinin daha iyi sınanmasına da olanak sağladı. Virgo dedektörü, LIGO dedektörleri ile paralel doğrultuda yerleştirilmediği için, bilim insanları, dalgaların polarizasyonunu (uzay-zamanı gerip sıkıştırdıkları özel desen) ilk defa inceleme şansı elde ettiler. Eğer beklenmedik türlerde gerip sıkıştırmalar bulunsaydı, bu genel göreliliği çürütebilirdi. Bu genel göreliliğin sonu olabilirdi. Ama Einstein’ın teorisi geçerliliğini korudu.

Kara delik çiftlerinin konumlarını belirlemek, astronomların çarpışma sırasında üretilen ışığı aramalarına olanak sağlıyor. Pek çok bilim insanının, kara delik kavgaları sırasında hiç ışık yayımlanmadığına inanmalarına rağmen, bazı teoriler bunun tam tersini söylüyor. Dalgalar tespit edildikten sonra, teleskoplar dalgaların kaynağını taradı fakat gözlemler boş çıktı.

Nötron yıldızı adındaki iki yıldız kalıntısı arasındaki gibi, diğer tür çarpışmalar ışık üretebilir. Nötron yıldızı birikintisinden ışık geldiğini tespit etmek, araştırmacıların nötron yıldızını meydana getiren aşırı derecede yoğun madde hakkında daha fazla bilgi edinmesini sağlayabilir. Rivayetlere bakılırsa, bilim insanları Ağustos ayında böylesi bir keşfi yapmış. Eğer bu rivayetler doğruysa, aynı ay içerisinde iki tespit “dev bir sıçrama” olarak görülebilir.

*Derecekare, küresel bir yüzey üzerindeki bir katı açıyı ifade eden, Uluslararası Birim Sistem (SI)’da yer almayan bir birimdir.

Kaynak: Trio of detectors tracks gravitational waves to their home https://www.sciencenews.org/article/ligo-virgo-track-gravitational-waves-black-hole-collision >

Referans: GW170814: A three-detector observation of gravitational waves from a binary black hole coalescence , https://journals.aps.org/prl/accepted/69074Y64W381ce5618c199a889597e6e32e431e9e

Devamı için Kütleçekimsel Dalgaların İzi Kaynağına Kadar Takip Edildi

Viyana Üniversitesi’nden Sungkun Hong ve çalışma arkadaşları tarafından gerçekleştirilen ve Eylül 2017`de Science dergisinde yayımlanan çalışma, fonon fikri etrafıda şekilleniyor. Foton (ışık parçacığı) fikriyle karıştırmayalım. Bir fonon, birlikte titreşen parçacıkların ortak hareketidir.

Makroskopik ölçekte bir benzetme yapmak gerekirse, okyanustaki tek bir dalgayı hayal edin. Dalga geçtikten sonra, su molekülleri başladıkları yere geri döner fakat dalganın kendisi harekete devam eder. Mikroskopik, kuantum seviyesinde bir fonon daha çok bir parçacık gibi davranır, öyle ki sıklıkla “sanki-parçacık” olarak anılır. Fizikçiler, fononların kuantum ve klasik dünyalar arasında kullanışlı bir köprü görevi görebileceğini düşünüyorlar ve ışık ile titreşimler arası etkileşmeler oldukça etkin bir çalışma sahası durumunda.

Hong’un ekibi, bir foton tarafından çarpıldığında özel bir şekilde titreşecek şekilde tasarlanmış optomekanik kristal kullanarak fononları analiz ettiler. Araştırmacılar cihaza foton ateşlediler ve cihaz içerisinde fononlar oluşturdular. Ardından farklı frekansta fotonlar ateşlediler ve fotonlar, bu fononlarla etkileştikten sonra geri yansıdı.

Ekip, daha sonra yansıyan fotonları, fononların kuantum durumları hakkında bilgi almalarına olanak sağlayan Hanbury Brown ve Twiss interferometresi denilen bir yöntemle analiz ettiler. Bu tekniği kullanarak, kristal içerisindeki tek bir fononun klasik mekanik yasaları yerine, kuantum fiziği yasalarına itaat ettiğini kanıtlamış oldular.

Bu kuantum özelliğinden ve ışık ile manipüle edilebilmek özelliklerinden dolayı, kristallerdeki fononlar, araştırmacılara göre “kuantum bilginin saklanması için ideal bir aday” özelliği gösteriyorlar.

Kaynak: Photons and phonons combine for quantum solution

< https://cosmosmagazine.com/technology/photons-and-phonons-combine-for-quantum-solution >

Referans: Hanbury Brown and Twiss interferometry of single phonons from an optomechanical resonator

< http://science.sciencemag.org/content/early/2017/09/20/science.aan7939 > DOI: 10.1126/science.aan7939

Devamı için Fotonlar Kullanarak Fononları Analiz Etmek

Evrendeki maddenin sadece % 5’i tam anlamıyla anlaşılabilir durumda. Evrenin neden oluştuğu (karanlık madde ve karanlık enerji) sorusunu ele almak için, pek çok  araştırmacı yeni parçacıklarla birlikte, alternatif parçacık fiziği modellerini tartışıyor. Bununla beraber, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’ndaki (LHC) gibi deneyler, henüz bu tür egzotik parçacıkları keşfedemedi. Bu da, belki de problemin kütleçekim kısmının düzenlenmesi gerekebileceği sonucunu ortaya çıkarıyor.

Physical Review Letters`da yayımlanan bu çalışma, evrenin kalan % 95’lik kısmının neden meydana geldiği sorusuna, yeni parçacıklardan ziyade, cevabın kütleçekim üzerinde yapılan düzeltmelerle verilebilmesine yardımcı olabilir.

Araştırma, düzenlenmiş kütleçekim teorisinden ne tür sinyaller beklememiz gerektiğini sorguluyor ve ikili kütleçekimin bu tarz benzersiz bir sinyal içerdiği ve böylelikle diğer teorilerden ayırt edilebileceği sonucuna varıyor. LIGO’nun kütleçekim dalgalarını son tespiti evrenin karanlık kesimleri için bize yeni bir pencere açtı.

Bir Yerine İki Kütleçekim

Mevcut durumda, kütleçekime dair en iyi teori, uzay-zamanı tanımlamak için tek bir ölçüt kullanan Einstein’ın genel görelilik teorisidir. Sonuç olarak, kütleçekim etkileşimlerine, kütlesiz olan ve böylece ışık hızında hareket edebilen, graviton adındaki tekli varsayımsal bir parçacık aracılık eder.

Genel görelilik ile ikili kütleçekim arasındaki esas fark, ikili kütleçekimin g ve f adlarında, iki ölçüt kullanmasıdır. g-tipi; fiziksel bir ölçüt ve madde ile eşleşebilirken, f-tipi; steril bir ölçüttür ve madde ile eşleşmez. İkili kütleçekimde, kütleçekimsel etkileşimlere iki graviton aracılık eder, bunlardan birisi kütleliyken, diğeri kütlesizdir. Bu iki graviton, g-tipi ve f-tipi ölçütlerinin farklı kombinasyonlarından (veya süperpozisyonlarından^**) meydana gelir, böylelikle de çevredeki maddeyle farklı şekillerde eşleşebilirler. İkili kütleçekim çerçevesindeki iki ölçütün (ve iki gravitonun) varlığı, nihayetinde de salınım olayına yol açar.

Fizikçilere göre, kütleli bir gravitonun var olabileceği; neredeyse genel göreliliğin ortaya çıkışından bu yana mevcut bir fikirdir.

Einstein’ın genel görelilik teorisi, kütleçekim etkileşimleri için ışık hızında seyahat eden tek bir aracı parçacık (graviton) varsayımında bulunur. 1930’lu yıllarda bilim insanları, kütleli, dolayısıyla da ışık hızından daha düşük bir hızda hareket eden aracı parçacık içeren bir teori bulma arayışındaydı.  Bu çaba oldukça zorluydu ve ancak 2010 yılında gerçekleştirilebildi. İkili kütleçekim, 2010’daki çalışmanın bir değil, iki dinamik ölçüt içeren bir versiyonuydu. Bu ölçütlerden biri maddeyle eşleşir, diğeri eşleşmez ve bunların lineer kombinasyonu, kütleli (ışık hızından daha yavaş) hale gelirken, diğeri kütlesizdir (ışık hızında).

Salınımlar

İkili kütleçekim çerçevesi içerisinde fizikçiler, kütleçekim dalgalarının uzayda yayılırken, g ve f tipleri arasında salınım yaptığını ortaya koydular ancak buna karşın yalnızca g-tipi tespit edilebiliyor. Geçmiş araştırmalar, bu salınımların olabileceğini öne sürmesine rağmen, fiziksel olmayan (örneğin enerji korunumunun ihlali gibi) sonuçlara yol açtı. Bu yeni çalışma, mevcut astrofiziksel testlerle saptanabilecek kadar büyük kütleli gravitonları da göz önüne aldığında, salınımların, gerçekçi bir fiziksel senaryo içerisinde teorik olarak ortaya çıkabileceğini gösteriyor.

Bu salınımları anlamak için; bilim insanları, salınımların nötrino salınımları gibi pek çok biçimde ortaya çıkabileceğini öne sürüyor. Nötrinolar, üç çeşni (elektron, müon ve tau) halinde ortaya çıkmasına rağmen, nükleer reaksiyonlarda üretilen nötrinolar, elektron nötrinolarıdır (veya elektron anti nötrinoları), çünkü diğerleri kararlı maddeyi oluşturmak için çok ağırdır. Benzer şekilde, ikili kütleçekimde maddeyle eşleşen sadece g ölçütüdür. Dolayısıyla kara delik birleşmeleri gibi astrofiziksel olaylar sonucu ortaya çıkan kütleçekim dalgaları g-tipidir, çünkü f-tipi kütle çekim dalgaları maddeyle eşleşmez.

Salınım olgusunu anlayabilmedeki kilit nokta, elektron nötrinolarının belirli bir kütlesinin olmamasıdır. Esasında elektron nötrinoları; üç nötrino özdurumunun süperpozisyonu halindedirler. Daha matematiksel bir ifadeyle konuşmak gerekirse, kütle matrisi, çeşni (elektron-müon-tau) bazında köşegensel değildir. Bu nedenle, uzayda nasıl hareket edeceklerini tanımlayan dalga fonksiyonu bunları birbirine karıştırır ve böylelikle ‘salınım’ yaparlar. Aynı durum ikili kütleçekim için de geçerlidir. g-tipi ölçüt, kütleli ve kütlesiz gravitonun bir karışımıdır, böylelikle kütleçekim dalgası evrende hareket ederken, g-tipi ve f-tipi ölçütü kütleçekim dalgaları arasında salınım yapar. Yine de, sadece g-tipi ölçütü maddesel dedektörlerle tespit edebiliriz, f-tipi ölçüt ise görülmeden geçer gider. Eğer ikili kütleçekim doğanın doğru tanımlamasıysa, kütleçekim dalga sinyali üzerinde önemli bir iz bırakmalıdır.

Fizikçiler, nötrino salınımlarının Schrödinger dalga denklemi tarafından tanımlanan kuantum mekaniksel bir olgu olması ve kütleçekim dalga salınımlarının bir kuantum etkisi değil de, klasik dalga denklemi tarafından tanımlanıyor olmasına rağmen, nötrinolar ile kütleçekim dalgaları arasındaki benzerliğin yine de var olduğunu belirtiyorlar.

Fizikçilerin öngördüğü önemli bir etki, kütleçekim dalga salınımlarının, genel görelilik tarafından öngörülenlere kıyasla daha büyük gerilim geçişlerine yol açmasıdır. Bu sonuçlar, kütleçekim dalga salınımlarının deneysel olarak tespit edilmesine ve ikili kütleçekim için destek bulunmasına yeni bir yol sunuyor.

*Parçacıkların standart modelinde lepton adı verilen bir parçacık türü bulunur. Leptonlar her biri negatif yüklü 3 nesil parçacık, sırasıyla elektron, müon, tau ve bu parçacıklara denk gelen nötrino çeşnilerinden, sırasıyla elektron nötrinosu, müon nötrinosu ve tau nötrinosundan oluşur. Herhangi bir nötrino, bu çeşnilerden birinde sabit olarak bulunmaz, bu üç çeşni arasında salınım yapar. Daha fazla bilgi için, standart model yazımıza ve bu yazımıza bakabilirsiniz.

**Kuantum fiziğinde, parçacıklar aynı zamanda dalga karakteri gösterebilir ve bu nedenle gözlem altında olmadığı zaman, bir parçacık dalga karakterinin izin verdiği olası bütün durumlarda aynı anda bulunabilir. Bu durum, “durumların üst üste binmesi” yani süperpozisyon olarak adlandırılır. Daha fazla bilgi için, bu yazımıza bakabilirsiniz.

Kaynak: Gravitational waves may oscillate, just like neutrinos < https://phys.org/news/2017-09-gravitational-oscillate-neutrinos.html >
Referans: Gravitational Wave Oscillations in Bigravity < https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.111101 >DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.111101

Devamı için Kütleçekimsel Dalgalar, Nötrinolar Gibi İki Farklı Durum Arasında Salınım Yapıyor Olabilir

Kuantum parçacıkları olan fotonlar ışık hızında hareket edebildikleri için hızlı veri transferi için elverişlidir. Sonuçları Physical Review Letters dergisinde yayımlanan bu çalışmada araştırmacılar, bu kuantum parçacıkları atomik buhar içerisinde saklamayı ve daha sonrasında da kuantum mekaniksel özelliklerini çok fazla etkilemeden tekrar okumayı başardı. Basit ve hızlı olan bu hafıza teknolojisi, geleceğin kuantum internetinde kendine uygulama alanı bulabilir.

Bugün bile, iletişim ağlarında hızlı veri transferi kısa ışık atımlarını kullanıyor. Ultra geniş bant teknolojisi, bilginin ışık hızında iletilebildiği fiber optik bağlantıları kullanıyor. Alıcı tarafında, iletilen bilginin o kadar çabuk ve hatasız depolanması gerekiyor ki böylece daha sonra bilgisayarlar üzerinde elektronik olarak işlenebilsin. İletim hatalarından kaçınabilmek için de, her biri yüzlerce foton içeren her bilgi biti nispeten güçlü ışık atımları şeklinde kodlanıyor.

Birkaç yıldır, dünya genelindeki araştırmacılar, böylesi ağları tek fotonla işletme üzerine çalışıyorlar. Her biti bir foton şeklinde kodlamak sadece çok verimli olmakla kalmıyor, aynı zamanda kuantum fiziğinin yasalarına dayanan tamamıyla yeni bir bilgi işleme yöntemine de olanak sağlıyor. Bu yasalar, bir fotonun, sadece klasik bite ait 0 veya 1 durumlarıyla kodlanmasına izin vermiyor, ayrıca her iki durumun aynı anda üst üste binmiş olarak (süperpoze olarak) kodlanmasına da olanak sağlıyor. Bu tür kuantum bitleri, gelecekte koşulsuz güvenli iletişimi ve üstün derecede hızlı kuantum bilgisayarlarını mümkün kılabilecek kuantum bilgi işlemenin temelidir. Tekil fotonları kuantum belleğinde depolamak ve bellekten geri okumak, üzerinde yoğun şekilde çalışılan bu teknolojiler için anahtar element durumunda.

Basel Üniversitesi’nden profesörler Philipp Treutlein ve Richard Warburton’ın önderlik ettiği, fizikçilerden oluşan bir ekip, fotonları rubidyum atomlarından oluşan bir gaz içerisinde depolayan, özellikle basit ve hızlı bir kuantum belleğini geliştirmeyi başardı. Araştırmacılar geliştirdiği bellekte, depolama ve okuma süreci bir lazer ile kontrol ediliyor. Kullanılan teknoloji soğutma birimleri veya karmaşık vakum ekipmanları gerektirmiyor ve yüksek derecede sıkıştırılmış bir düzenek içerisinde gerçekleştirilebiliyor. Araştırmacılar ayrıca, belleğin fazlasıyla düşük bir gürültü seviyesine sahip olduğunu ve tekil fotonlar için uygun olduğunu da doğrulayabildiler.

Çalışmanın başyazarı Janik Wolters; “Basit bir kurulum, yüksek bant genişliği ve düşük gürültü seviyesi, kuantum ağlarındaki gelecek uygulamalar için fazlasıyla umut verici” yorumunda bulunuyor. Böylesi kuantum ağlarının geliştirilmesi, Ulusal Kuantum Bilimi ve Teknolojisi Yeterlilik Merkezi (NCCR QSIT)’nin ve çalışmaya maddi destek sağlayan Avrupa Birliği Araştırma ve Yenilik Programı Çerçevesi’nin amaçlarından birini oluşturuyor. Gelecekte kuantum ağları, koşulsuz güvenli iletişime, farklı kuantum bilgisayarlarının ağ kurmasına ve karmaşık fiziksel, kimyasal ve biyolojik sistemlerin simülasyonuna öncülük edebilir.

Kaynak: High-speed quantum memory for photons
< https://phys.org/news/2017-09-high-speed-quantum-memory-photons.html >

Referans: Simple Atomic Quantum Memory Suitable for Semiconductor Quantum Dot Single Photons
< https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.060502 > DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.060502

Devamı için Yüksek Hızlı Foton Belleği Geliştirildi