Almanya'daki Regensburg Üniversitesi yönetiminde çalışan uluslararası bir araştırma ekibi, elektronların hareketini inceleyerek önemli bir sınırlamayı deneysel olarak ortaya çıkardı.

Bilim insanları, bir elektronun tam olarak ne zaman hareket ettiğini belirlemeye çalışırken, uzayda nerede bulunduğunu aynı ölçüde kesin olarak belirlemenin zorlaştığını keşfetti. Araştırmada bu ilişki, “uzay-zaman sınırı” olarak tanımlanıyor.

Araştırmacılar, keşfin gelecekte elektronik cihazların hızlandırılmasının yanı sıra kimyasal tepkimelerin kontrol edilmesine ve kuantum bilgisayarların geliştirilmesine de katkı sağlayabileceğini belirtiyor.

Elektronun ne zaman ve nerede bulunduğunu aynı anda belirlemek neden zor?

Kuantum fiziğinin temel ilkelerinden biri, Alman fizikçi Werner Heisenberg'in ortaya koyduğu belirsizlik ilkesi. Bu ilkeye göre, bir parçacığın nerede bulunduğunu ve ne kadar momentuma sahip olduğunu aynı anda sınırsız kesinlikle belirlemek mümkün değil.

Yeni araştırma ise farklı bir soruya odaklanıyor: Bir elektronun hem nerede bulunduğunu hem de tam olarak ne zaman hareket ettiğini aynı anda ne kadar hassas belirleyebiliriz?

Bilim insanları, bu iki ölçüm arasında da temel bir sınırlama bulunduğunu deneylerle gösterdi.

Elektronun hareket ettiği zamanı daha kesin belirlemek için ona daha fazla enerji verilmesi gerekiyor. Ancak bu enerji, elektronun uzayda kapladığı olası konumların daha geniş bir alana yayılmasına neden oluyor.

Başka bir ifadeyle, elektronun ne zaman hareket ettiğini daha kesin belirlemeye çalıştıkça, nerede bulunduğuna ilişkin belirsizlik artıyor.

Bunun nedeni, elektronların yalnızca belirli bir noktada bulunan küçük parçacıklar gibi değil, aynı zamanda dalgalar gibi davranması. Kuantum fiziğinde elektronun farklı konumlarda bulunma olasılığını tanımlayan bu yapıya "dalga paketi" deniliyor.

Araştırmacılar, elektronun hareket zamanını daha hassas belirlemek için verilen enerjinin, bu dalga paketini uzayda genişlettiğini ortaya koydu.

Araştırmanın yazarlarından Raffael Spachtholz, elektronun hareketinin zamanını ne kadar kesin belirlemek isterlerse o kadar fazla enerji vermeleri gerektiğini, bunun sonucunda elektronun dalga paketinin uzayda daha geniş bir alana yayıldığını açıkladı.

Bilim insanları elektronların hareketini, bir saniyenin kentilyonda biri kadar kısa zaman aralıklarında izlemeyi başardı

Araştırma, Regensburg Hızlı Nanoskopi Merkezi (RUN) ile Hamburg'daki Max Planck Enstitüsü araştırmacılarının iş birliğiyle gerçekleştirildi. Bilim insanları, elektronların son derece kısa zaman aralıklarındaki hareketini incelemek amacıyla gelişmiş bir lazer sistemi oluşturdu.

Deneylerde, hassas biçimde zamanlanmış lazer darbeleri kullanılarak elektronlar çok sivri bir metal uçtan gümüş yüzeye doğru yönlendirildi. Elektronların hareket ettiği mesafe son derece küçüktü. Öyle ki elektronlar, yalnızca yan yana dizilmiş birkaç atomun kapladığı mesafe kadar yol aldı.

Araştırmacılar, ortaya çıkan elektrik akımını ölçerek elektronların hareketini izledi. Hareketin zamanlamasını belirlemek için aralarında hassas biçimde ayarlanmış bir süre bulunan iki ışık darbesi kullanıldı.

Deneyler, elektron hareketinin attosaniye ölçeğinde gerçekleştiğini gösterdi. Bir attosaniye, saniyenin milyar kere milyarda biri, yani 10⁻¹⁸ saniye anlamına geliyor.

Elektronlar enerji engelini kuantum tünelleme yoluyla aştı

Araştırmanın dikkat çekici sonuçlarından biri, elektronların metal uç ile gümüş yüzey arasındaki enerji engelini nasıl geçtiği oldu. Klasik fizik kurallarına göre elektronların bu engeli aşabilecek kadar enerjiye sahip olmaması gerekiyordu.

Elektronlar, kuantum mekaniğinin öngördüğü dalga özellikleri sayesinde engelden geçebildi. "Kuantum tünelleme" adı verilen bu olay sayesinde elektronlar, normalde geçemeyecekleri bir engeli, onu aşmaya yetecek enerjiye sahip olmasalar bile geçebiliyor.

Bu durum, bir topun duvara çarpmak veya duvarı aşmak yerine, duvarın içinden geçerek diğer tarafta ortaya çıkmasına benzetilebilir. Bu durum, elektronların günlük hayattaki nesnelerden farklı olarak kuantum fiziğinin kurallarına göre davranmasından kaynaklanıyor.

Araştırmanın ortak yazarlarından Katharina Glöckl, geliştirdikleri ölçüm yönteminin elektron dalga paketleri için yüksek hızlı bir kameraya benzetilebileceğini belirtti.

Elektronların tepkisinde 500 attosaniyelik gecikme saptandı

Araştırmacılar, elektronların lazer ışığına hemen tepki vermediğini de keşfetti. Deneylerde elektronları harekete geçirmek için çok kısa lazer ışığı darbeleri kullanıldı. Ancak elektronların hareketi, ışığın etkisinden hemen sonra değil, yaklaşık 500 attosaniyelik bir gecikmeyle gerçekleşti.

Bu süre, saniyenin kentilyonda birinin 500 katı kadar kısa. Günlük hayatta fark edilmesi mümkün olmayan bu gecikme, elektronların nasıl hareket ettiğini anlamak açısından önem taşıyor.

Hamburg'daki Max Planck Enstitüsü araştırmacıları, bilgisayar ortamında yaptıkları kuantum hesaplamalarıyla bu gecikmeyi doğruladı.

Bilim insanları ayrıca ışığın elektronları nasıl etkilediğini anlamak için ışığın iki özelliğinin birlikte değerlendirilmesi gerektiğini belirledi. Çünkü ışık, kuantum fiziğine göre hem dalga gibi yayılabiliyor hem de foton adı verilen küçük enerji paketleri halinde davranabiliyor.

Kimyasal tepkimeler tek elektronla kontrol edilebilir

Keşfin olası uygulamalarından biri, kimyasal tepkimelerin çok daha hassas biçimde yönlendirilmesi. Bir moleküle tek bir elektron aktarılması, mümkün olan en küçük elektrik yükü transferini oluşturuyor.

Araştırmacılara göre elektronun son derece küçük bir uzay ve zaman aralığında yoğunlaştırılması, yerel tepe akım yoğunluğunun santimetrekare başına 1 trilyon ampere kadar ulaşmasını sağlayabilir.

Bu koşullar, kimyasal bağların nasıl oluştuğunu, değiştiğini veya koptuğunu incelemek için yeni olanaklar sunabilir.

Araştırma ekibinden Prof. Jascha Repp, gelecekte bu elektron dalga paketlerini kullanarak belirli kimyasal tepkimeleri başlatmayı ve kimyasal bağların nasıl değiştiğini doğrudan gözlemlemeyi hedeflediklerini açıkladı.

Elektronik cihazlar yüz binlerce kat hızlanabilir mi?

Araştırmanın uzun vadeli hedeflerinden biri de elektronik cihazların çalışma hızını artırmak. Günümüzde yaygın olarak kullanılan elektronik sistemlerin büyük bölümü CMOS adı verilen yarı iletken teknolojisine dayanıyor.

Bilim insanları, elektronların hareketini çok daha hassas kontrol edebilmenin, gelecekte elektronik cihazların ve kuantum bilgi işleme sistemlerinin hızını önemli ölçüde artırabileceğini düşünüyor.

Araştırma ekibinden Prof. Rupert Huber, elde edilen bilgilerin uzun vadede elektronik sistemlerin elektron hareketinin doğal hız sınırına yaklaşmasına katkıda bulunabileceğini belirtti.

Huber'e göre bu, günümüzde yaygın olan CMOS teknolojisinden yüz binlerce kat daha yüksek çalışma hızlarına ulaşılması anlamına gelebilir.

Araştırmacılar, bu hızlara henüz ulaşılmadığını ve söz konusu olasılığın uzun vadeli bir teknolojik hedef olduğunu vurguluyor.

Bilim insanları, bu bulguların gelecekte elektronik, kuantum teknolojileri ve kimya alanında yeni araştırmalara temel oluşturabileceğini değerlendiriyor.

Kaynak: Science Daily