Bir Lazer ve Bir Atom Bulutu.

Bir Lazer ve Bir Atom Bulutu, Kuantum Elektroniğini Yeniden Canlandırıyor

*Rheinland-Pfälzische Teknik Üniversitesi Kaiserslautern-Landau – 27 Aralık 2025*

Ultra Soğuk Atom Bulutları Kuantum Etkileri

Ultra soğuk atomlar ve lazer ışığı kullanan araştırmacılar, normalde süper iletken elektroniklerin içinde gerçekleşen temel bir kuantum etkiyi yeniden üretti. Deney, aynı hassas kuantum kurallarının hem atomik maddeyi hem de modern teknolojinin kalbindeki elektronik cihazları yönettiğini ortaya koyuyor.

Ultra soğuk atomlar, elektronik devrelerde normalde bulunan temel bir kuantum etkisini başarıyla taklit etti.

Josephson bağlantıları, ultra hassas ölçümlere olanak tanır, elektrik voltajının standart birimini tanımlar ve birçok kuantum bilgisayarın çekirdek bileşeni olarak görev yapar. Yaygın kullanımlarına rağmen, süper iletkenlerin içindeki kuantum ölçekli süreçleri doğrudan gözlemlemek son derece zordur.

Bu zorluğun üstesinden gelmek için, RPTU Kaiserslautern-Landau Üniversitesi’ndeki araştırmacılar Josephson etkisinin bir kuantum simülasyonunu gerçekleştirdi. Katı süper iletkenlerle çalışmak yerine, iki Bose-Einstein yoğunlaşmasını (BEC) son derece ince bir optik bariyerle ayırdılar. Bu bariyer, sıkı odaklanmış bir lazer ışınıyla oluşturuldu ve kontrollü, periyodik bir şekilde hareket ettirildi. Dikkat çekici bir şekilde, atomik sistem, gerçek Josephson bağlantılarında görülen aynı belirleyici imzaları üretti. Bunlar arasında, sürücü frekansının katlarında ortaya çıkan voltaj basamakları olan Shapiro basamakları da vardı. Science dergisinde yayınlanan çalışma, kuantum simülasyonunun temel fiziği nasıl ortaya çıkarabileceğinin net bir göstergesi olarak hizmet ediyor.

Josephson Bağlantıları Neden Bu Kadar Önemli?

Bir Josephson bağlantısı aldatıcı derecede basit bir tasarıma sahiptir. İncecik bir yalıtım katmanıyla ayrılmış iki süper iletkenden oluşur. Bu basit yapıya rağmen, cihaz modern teknolojide kritik bir rol oynayan güçlü bir kuantum mekanik etki üretir.

Josephson kontakları, birçok kuantum bilgisayarın belkemiğini oluşturur ve son derece hassas ölçümlere olanak tanır. Önemli bir uygulama, manyetoensefalografi (MEG) gibi, insan beyninin ürettiği manyetik sinyalleri ölçen tıbbi tanı teknikleri için temel olan çok zayıf manyetik alanların tespitidir.

Kuantum Süreçlerini Görünür Kılmak

Bir Josephson bağlantısının içindeki davranış, tek tek kuantumlar seviyesinde gerçekleşir ve bu da onu bir süper iletken içinde doğrudan gözlemlemeyi neredeyse imkansız kılar. Bu sınırlamanın üstesinden gelmek için fizikçiler, kuantum simülasyonu olarak bilinen bir yaklaşıma güvenirler.

Basitçe söylemek gerekirse, kuantum simülasyonu, karmaşık bir kuantum sisteminin davranışını, incelenmesi daha kolay olan farklı bir sistem içinde yeniden yaratmayı içerir. Bunu yaparak araştırmacılar, orijinal fiziksel ortamlarında erişilemeyen etkileri inceleyebilirler.

Herwig Ott ve Erik Bernhart

Deney, 30 nK sıcaklığında ultra soğuk atom bulutlarının lazer soğutma yoluyla üretildiği bir vakum odasında gerçekleşiyor. Fotoğrafta: Profesör Herwig Ott ve Dr. Erik Bernhart. (Kaynak: RPTU, Thomas Koziel)

Ultra Soğuk Atomlarla Josephson Bağlantısını Simüle Etmek

RPTU’da, Herwig Ott liderliğindeki bir deney ekibi bu stratejiyi doğrudan Josephson etkisine uyguladı. Araştırmacılar süper iletken malzemeler kullanmak yerine, Bose-Einstein yoğunlaşması olarak bilinen ultra soğuk bir atom gazıyla çalıştılar. İki böyle yoğunlaşma, periyodik olarak hareket ettirilen odaklanmış bir lazer ışınıyla oluşturulan çok ince bir optik bariyerle ayrıldı.

Bu kurulum, ekip için, mikrodalga radyasyona maruz kalan süper iletken bir Josephson bağlantısının iç koşullarını yeniden oluşturmayı sağladı. Geleneksel cihazlarda mikrodalga radyasyonu, bağlantı üzerinde ek bir alternatif akım üretir. Atom deneyinde ise hareket eden lazer bariyeri aynı rolü oynadı ve araştırmacıların atomları kullanarak elektronik davranışı yakından yansıtmasına olanak verdi.

Shapiro Basamakları Evrensel Bir Fenomendir

Kuantum simülasyonunun sonucu çarpıcıydı. Atomik sistem, dünya çapında elektrik voltajını kalibre etmek için kullanılan kuantize voltaj basamakları olan net Shapiro basamakları sergiledi. Bu basamaklar sadece temel sabitlere ve modülasyon frekansına bağlıdır. Sonuç olarak, “volt” için voltaj standardının küresel olarak nasıl gerçekleştirildiğinin temelini oluştururlar.

Herwig Ott şöyle açıklıyor: “Deneyimizde, ortaya çıkan uyarımları ilk kez görselleştirebildik. Bu etkinin şimdi tamamen farklı bir fiziksel sistemde – ultra soğuk atomlardan oluşan bir toplulukta – ortaya çıkması, Shapiro basamaklarının evrensel bir fenomen olduğunu doğruluyor.”

Elektronlar ve Atomlar Arasında Köprü Kurmak

Çalışma, Hamburg Üniversitesi’nden Ludwig Mathey ve Abu Dabi’deki Teknoloji İnovasyon Enstitüsü’nden Luigi Amico liderliğindeki teori gruplarıyla işbirliği içinde yürütüldü. Ekipler birlikte, başlangıçta katı hal fiziğinde keşfedilen bir kuantum etkinin, çok farklı bir fiziksel sistemde sadakatle yeniden üretilebileceğini gösterdi.

Çalışma, bir ders kitabı niteliğinde bir kuantum simülasyonu örneği olarak öne çıkıyor. Herwig Ott’ın açıkladığı gibi, “Katı hal fiziğinden bir kuantum mekanik etki, tamamen farklı bir sisteme aktarılıyor – ancak özü aynı kalıyor. Bu, elektronların ve atomların kuantum dünyaları arasında köprüler kuruyor.”

Kuantum Devreleri İnşa Etmek İçin Atomları Kullanmak

İleride Ott ve meslektaşları, “atomlar için gerçek devreler inşa etmek” üzere birden fazla atomik bağlantıyı birbirine bağlamayı planlıyor. Bu sistemlerde elektronlar yerine atomlar devre içinde hareket edecek. Bu gelişmekte olan araştırma alanı “atomtronik” olarak biliniyor.

Deneyleri doktora öğrencisi olarak yürüten Erik Bernhart şöyle diyor: “Bu tür devreler, yani dalga benzeri etkiler olan tutarlı etkileri gözlemlemek için özellikle uygundur.” Katı malzemelerdeki elektronların aksine, bu devrelerdeki atomlar hareket ederken doğrudan gözlemlenebilir. “Ayrıca elektronikten bildiğimiz diğer temel bileşenleri atomlarımız için çoğaltmayı ve mikroskobik düzeyde tam olarak anlamayı istiyoruz.”

Referans: “Observation of Shapiro steps in an ultracold atomic Josephson junction” yazan Erik Bernhart, Marvin Röhrle, Vijay Pal Singh, Ludwig Mathey, Luigi Amico ve Herwig Ott, 11 Aralık 2025, Science.

Kaynak. SciTechDaily
Haber Veriyoruz