Bilim dünyasında çığır açan bir gelişme kaydedildi. National Institute of Standards and Technology (NIST) bünyesindeki fizikçiler, bir hidrojen ve bir kalsiyum atomundan meydana gelen kalsiyum monohidrit moleküler iyonunu manipüle etmeyi başararak moleküller üzerindeki kontrolü yeni bir seviyeye taşıdı. Kaydedilen bu başarı, kuantum teknolojisi, kimyasal araştırmalar ve fiziğin keşfedilmemiş alanları için devasa fırsatlar yaratıyor.
Çalışmanın başyazarı Dalton Chaffee, süreci “Bir parçacığı kontrol etmek için onu belirli bir duruma sabitlememiz gerekir. Bir molekül, sahip olduğu dönme ve titreşim hareketleri nedeniyle içinde bulunabileceği çok sayıda farklı duruma sahiptir. Özünde molekülleri atomlardan çok daha zor kontrol edilir kılan temel unsur tam olarak anılan noktadır.” sözleriyle değerlendiriyor.
Bilim insanları, bir hidrojen ve bir kalsiyum atomundan oluşan kalsiyum monohidrit moleküler iyonunu manipüle etmeyi başararak moleküler kontrolü en üst düzeye çıkardı. National Institute of Standards and Technology (NIST) fizikçileri tarafından gerçekleştirilen anılan teknik başarı kuantum dünyası, kimya çalışmaları ve yeni fizik keşifleri adına kritik kapılar aralıyor.
Dalton Chaffee, moleküler kontrolün zorluğunu şu cümleyle vurguluyor: “Bir parçacığı kontrol etmek için onu belirli bir duruma sabitlememiz gerekir. Bir molekül, sahip olduğu dönme ve titreşim hareketleri nedeniyle içinde bulunabileceği çok sayıda farklı duruma sahiptir. Özünde molekülleri atomlardan çok daha zor kontrol edilir kılan temel unsur tam olarak anılan noktadır.”
Araştırmacılar, ilgili moleküler iyonla iletişim kurabilmek adına kalsiyum iyonunu yardımcı bir unsur olarak kullandı. Yardımcı kalsiyum iyonu ile yüklü kalsiyum monohidrit molekülü beraber hapsedildi; her iki parçacık da eşit yüke sahip olduğu için doğal olarak birbirini itiyor. Yayınlanan basın bildirisinde, bahsi geçen durum aralarında sıkışmış bir yay varmış da onları iki yana itiyormuş gibi hayal edilmesi şeklinde betimleniyor.
Ekip, kalsiyum monohidritin lazerle iyi bir etkileşim kuramadığını, ancak tek başına duran kalsiyum iyonunun lazerle etkileşime girdiğini saptadı. Lazer kullanarak kalsiyum iyonunu soğutan fizikçiler, parçacığın hareketini yavaşlattı. Kalsiyum momentum kaybettikçe, yanındaki molekül arkadaşı da yavaşladı.
Lisansüstü öğrencisi April Sheffield, molekülü soğutmanın kritik bir öneme sahip olduğunu vurguluyor. Lazerle soğutmaya ek olarak sağlanan dondurucu ortam, bilim insanlarının moleküler durumu oda sıcaklığına kıyasla 10 kat daha uzun süre değişmeden tutabilmesine olanak tanıyor.
Molekül Dönme Durumunda Yaklaşık 18 Saniye Kalabiliyor
Araştırmacılar, molekülün dönüşünü değiştirmek amacıyla üzerine lazer tutuyor. Molekülün dönüp dönmediğini doğrudan tespit etmek mümkün olmasa da kalsiyum iyonu durumu fark edebiliyor. Molekül dönme hareketini değiştirdiğinde, yardımcı kalsiyum iyonu durumu algılıyor ve araştırmacıların parlak bir nokta olarak gördüğü minik bir foton flaşı yayıyor. Bilim insanları moleküle dönüşü eski haline getirmesini söylediğinde kalsiyum iyonu tekrar parlıyor.
Bahsi geçen çift flaş, iki kuantum sıçrasına veya molekülün iki farklı durumu arasındaki iki geçişe işaret ediyor. NIST doktora sonrası araştırmacısı Baruch Margulis, kuantum kontrolünü eylem halinde görmenin bir bilim insanı için tatmin edici olduğunu belirtiyor.
Margulis, süreci şöyle aktarıyor: “Kuantum mekaniği budur. Laboratuvarımızda, iyonumuzun bir kuantum durumunda mı yoksa bir diğerinde mi olduğunu kamerayla görebiliyoruz, ki ilgili durumu süper havalı buluyorum. Bunu kendi gözlerinizle görmek büyüleyici.”
Araştırma ekibi, çevreleyen termal radyasyon molekülü durum değiştirmeye zorlayana ve iyonun parlaması kesilene kadar molekülün yaklaşık 18 saniye boyunca dönme durumunda kalabildiğini ortaya koydu. Ortaya çıkan 18 saniyelik süre, molekül durumu değişmeden önce araştırmacılara binlerce kez ölçüm yapma fırsatı sunduğu için büyük önem taşıyor.
Margulis, ilgili süreci şöyle detaylandırıyor: “İsterseniz buna bir nevi ce-ee oyunu diyebilirsiniz. Termal radyasyon molekülü farklı bir duruma iter itmez, gözlemci iyondan gelen ışık parlamaları kesiliyor ve biz de yaşananları neredeyse anında, yaklaşık 10 milisaniye içinde görebiliyoruz.”
İyona tek bir bakış yeterli olmadığından bilim insanları, kalsiyum iyonunun parlak mı yoksa karanlık mı olduğunu defalarca kontrol ederek molekülün durumu üzerindeki kontrolün bir tesadüf olmadığını kanıtladı. Ekip, %99,8 gibi inanılmaz bir başarı oranına ulaştı; yani molekülü manipüle etmek için yapılan her 1.000 denemeden yaklaşık 998’i başarıyla sonuçlandı.
Geliştirilen yöntem, bilim insanlarının kuantum görevleri için geniş bir molekül yelpazesi kullanmasına, Standard Model ötesindeki fiziği keşfetmesine ve potansiyel olarak kimyasal reaksiyonları kontrol etmesine imkan tanıyabilir.
Moleküller, kuantum teknolojileri için çok yönlü yapı taşları olarak hizmet edebilir ancak atomlara kıyasla kontrol edilmeleri çok daha zordur.
