Kuantum Termometreler Elektronikte Devrim Yaratabilir

Fizikçiler, optik ve mekaniği birlikte kullanarak, üzerlerine ışık düştüğünde çok çeşitli ve işe yarar kullanımları olabilecek mikroskopik yapılı demetler yarattı. Oda sıcaklığında bile kuantum fiziği..
Görsel Telif:

Fizikçiler, optik ve mekaniği birlikte kullanarak, üzerlerine ışık düştüğünde çok çeşitli ve işe yarar kullanımları olabilecek mikroskopik yapılı demetler yarattı. Oda sıcaklığında bile kuantum fiziğinin en derin ilkelerinin bir bölümünden yararlanabilen bu optomekanik sistemler, içsel doğruluklu bir termometre veya tam tersi, ısıyı saptırıcı bir tür optik kalkan görevi görebilir.

Science and Physical Review Letters dergisinde yayımlanan bir dizi makale ile ayrıntıları duyurulan çalışma, Joint Kuantum Enstitüsü (JQI) liderliğinde ve Standartlar ve Teknoloji Ulusal Enstitüsü (NIST) ile Maryland Üniversitesi araştırmacılarının katılımları ile gerçekleştirildi. Ekip, geliştirdikleri demetlerin potansiyel uygulama alanlarına örnek olarak şunları veriyor: Elektronik ve biyoloji için, temel doğa sabitlerine dayandığı için asla ayarlanma gereği olmayan yonga (çip) temelli sıcaklık sensörleri; yüksek kaliteli görüntü için son teknoloji ürünü mikroskop parçalarını soğutabilen minik buzdolapları; ışığın ve sesin yeni yollarla manipüle edilmesini sağlayabilecek meta-malzemelerin geliştirilmesi.

Elektronik ve fotonik endüstrisinde bolca kullanılan bir malzeme olan silikon nitritten yapılan ve yaklaşık 20 mikron uzunluğunda olan saydam demetlerde, optiksel ve mekaniksel özelliklerini yükseltmek için delinmiş bir sıra delik bulunuyor. “Bu demete ışık gönderebilirsiniz, çünkü saydam bir malzeme. Ayrıca demete ses dalgası da gönderebilirsiniz,” diyor NIST fizikçisi Tom Purdy. Araştırmacılar, şu anda cep telefonları da dahil hemen her cihazda bulunan termometrelerin daha iyilerinin geliştirilmesinde bu demetlerin rol oynayabileceğini belirtiyorlar.

“Aslında yanımızda sürekli bir tomar termometre taşıyoruz. Bunlardan bazıları sıcaklığı okuyor, bazıları da yongamızın fazla mı sıcak ya da pilimizin fazla mı soğuk olduğuna bakıyor. Termometreler ayrıca ulaşım sistemlerinde de kritik öneme sahip, çünkü motor yağının aşırı ısınıp ısınmadığına bakıyorlar,” diyor ekipten Jake Taylor. Sorun şu ki, bu termometrelerin kalibre edilmesi yani belirli bir standarta göre ayarlanması gerekiyor. İşte silikon nitrit demetler, temel fiziğe dayandıkları için bu durumun önüne geçiyor. Demeti bir termometre olarak kullanmak için araştırmacıların demetteki olası en küçük titreşimleri ölçebiliyor olması gerek. Demetteki titreşim miktarı, çevre sıcaklığı ile orantılı oluyor.

Titreşimler iki farklı kaynaktan gelebiliyor. Birincisi sıradan “termal” kaynaklardan; demete çarpan gaz molekülleri veya demetten geçen ses dalgaları gibi. İkincisi de tamamen kuantum mekaniği dünyasından; yani atomik ölçekte madde davranışlarını yöneten kuramdan. Kuantum davranış, araştırmacılar ışık parçacıkları olan fotonları demete gönderdiklerinde oluşuyor. Işığın çarptığı demet fotonları yansıtıyor ve geri tepme oluyor; bu da demette ufak bir titreşime neden oluyor. Bazen bu kuantum temelli etkiler Heisenberg belirsizlik bağıntısı kullanılarak tanımlanıyor: Foton sekmesi demetin konumu hakkında bilgi veriyor ama demetteki titreşimleri böldüğü için demetin hızındaki belirsizliği arttırıyor.

“Kuantum mekaniksel çalkalanmalar bize bir referans noktası veriyor, çünkü özünde sistemi bundan daha az hareket ettiremezsiniz,” diyor Taylor. Boltzmann sabitinin ve Planck sabitinin değerlerini katarak, araştırmacılar sıcaklığı hesaplayabiliyor. Ellerinde bu referans noktası olduğundan, demette daha fazla hareket ölçtüklerinde, örneğin termal kaynaklardan gelenleri ölçtüklerinde, çevre sıcaklığını doğru bir şekilde bulabiliyorlar. Bununla birlikte, kuantum çalkalanmaları termal titreşimlerden milyon kat daha hafif. Onları algılamak, duşun ortasında bir damlanın düşüşünü duyabilmeye benziyor.

Ekip, yaptıkları deneylerde Karen Grutter ve Kartik Srinivasan tarafından geliştirilen son teknoloji ürünü silikon nitrit demet kullanmış. Demete yüksek kalitede fotonlar tutarak ve hemen ardından demetten salınan fotonları analiz ederek, küçük bir kuantum titreşimsel hareket yakalayabilmişler. Ölçüm yaklaşımlarının, bu kuantum etkileri oda sıcaklığında bile görebilecek kadar hassas olduğunu belirtiyorlar.

Deneysel termometreler şu anda ilkeyi kanıtlama evresinde olsa da, elektronik aygıtlarda ve ayrıca biyolojide ileride çok önemli bir yer edinebilecekleri düşünülüyor. Biyolojik süreçlerin genel anlamda sıcaklığa çok duyarlı olduğunu hatırlatan Taylor, 37 derece Celsius ile 39 derece Celsius’un çok farklı olduğunu belirtiyor. Dolayısıyla çalışmaları biyoteknoloji açısından da önem taşıyor.

Ekip ayrıca demetlerin ters yönde kullanılabileceğini de ekliyor. Yani ısının demete çarpmasına ve sıcaklık probu olarak kullanılmasını sağlamasına izin vermek yerine, demetin ısıyı örneğin elektromekaniksel bir cihazın hassas bir parçasından saptırmak için de kullanılabileceğini belirtiyor. Bununla ilgili olarak hazırladıkları düzenekte, demet bir oyuğa konuyor. Buradaki bir çift ayna ışığı ileri-geri yansıtıyor. Ekip ışığı, demetin titreşimlerini kontrol etmek için kullanıyor ve böylece gelen ısı geldiği yönde değil de, daha soğuk bir nesneye doğru yansıtılabiliyor.


Kaynak: Phys.org, “Quantum thermometer or optical refrigerator?”
<https://phys.org/news/2017-06-quantum-thermometer-optical-refrigerator.html>

İlgili Makaleler:

  • “Quantum correlations from a room-temperature optomechanical cavity” Science (2017). science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aag1407
  • Xunnong Xu et al. Cooling a Harmonic Oscillator by Optomechanical Modification of Its Bath, Physical Review Letters (2017). DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.223602

Bu içerik BilimFili.com yazarı tarafından oluşturulmuştur. BilimFili.com`un belirtmiş olduğu “Kullanım İzinleri”ne bağlı kalmak kaydıyla kullanabilirsiniz.

Etiket
  • Projelerimizde bize destek olmak ister misiniz?
  • Dilediğiniz miktarda aylık veya tek seferlik bağış yapabilirsiniz.
  • Destek Ol
Yorum Yap (0 )

Yorum yapabilmek için giriş yapmalısınız.

Bunlar da ilginizi çekebilir

Bağış Yap, Destek Ol!
Projelerimizde bize destek olmak istersen
Patreon üzerinden
aylık veya tek seferlik bağışta bulunabilirsin.
E-Bülten Üyeliği
Duyurulardan e-posta ile
haberdar olmak istiyorum.
Reklam Reklam Ver
Arşiv