Çinli araştırmacılar, kuantum teknolojileri kullanarak lazer performansını 20 kat artırdı

Bilim insanları yıllardır daha güçlü lazerler üretmenin yollarını arıyor. Zira yüksek harmonik üretimi, attosaniye fiziği ve ultra süratli görüntüleme üzere pek çok ileri teknoloji uygulaması, son derece güçlü lazer-madde etkileşimlerine gereksinim duyuyor. Lakin burada kıymetli bir sorun bulunuyor: Lazer gücü arttıkça, incelenen gereçlerin ya da optik bileşenlerin ziyan görme riski de yükseliyor. Çinli araştırmacılar tarafından gerçekleştirilen yeni bir çalışma ise bu probleme farklı bir tahlil sunuyor. Nature mecmuasında yayımlanan çalışmada bilim insanları, lazer gücünü artırmak yerine lazer-madde etkileşimlerini 20 katın üzerinde güçlendirmeyi başardı.

Doğu Çin Üniversitesi‘nden Jian Wu liderliğindeki araştırma grubu, bu başarıyı “bright squeezed vacuum” (parlak sıkıştırılmış vakum) olarak bilinen özel bir kuantum ışık tipini kullanarak elde etti. Araştırmacılar, birebir ortalama güce sahip klasik lazer darbeleriyle karşılaştırıldığında, makul bir doğrusal olmayan optik sürecin 20 kattan fazla güçlendirilebildiğini gösterdi. Üstelik bu artış için daha yüksek güç tüketimine ya da daha güçlü lazer sistemlerine muhtaçlık duyulmadı.

Bu çalışmanın kıymetini anlamak için öncelikle doğrusal olmayan optik süreçlerin nasıl çalıştığına bakmak gerekiyor. Çağdaş lazer fiziğinde birçok gelişmiş uygulama, çok sayıda fotonun unsurla neredeyse tıpkı anda etkileşime girdiği doğrusal olmayan etkileşimlere dayanıyor. Fakat bu cins tesirlerin ortaya çıkabilmesi için ekseriyetle son derece ağır lazer darbeleri gerekiyor. Bu da hem güç maliyetlerini yükseltiyor hem de deneylerde kullanılan malzemelerin ziyan görmesine yol açabiliyor. Çinli araştırmacılar ise sorunu lazer gücünü artırarak değil, ışığın istatistiksel özelliklerini değiştirerek çözmeye çalıştı. Klasik lazerlerde fotonlar nispeten tertipli bir akış hâlinde ilerlerken, bright squeezed vacuum ismi verilen bu kuantum ışık durumunda foton yoğunluğu çok daha büyük dalgalanmalar gösteriyor. Bu sayede ortalama güç düzeyi düşük kalsa bile, çok kısa müddetler boyunca son derece yüksek anlık yoğunluklar oluşabiliyor. Araştırmacılara nazaran elde edilen sonuçların temelinde de bu özellik yatıyor.

Teorilerini test etmek için sodyum atomları üzerinde deneyler gerçekleştiren grup, “tünelleme iyonizasyonu” olarak bilinen kuantum mekaniksel bir süreci kullandı. Bu süreçte güçlü elektromanyetik alanlar, atom içerisindeki potansiyel bariyeri bozarak elektronların kuantum tünelleme tesiri sayesinde atomdan ayrılmasına neden oluyor. Deneyler sırasında araştırmacılar, sırf 300 nanojoule ortalama güç taşıyan bright squeezed vacuum darbelerinin, klâsik lazerlere kıyasla 20 kat daha yüksek tesirli yoğunluğa denk gelen iyonizasyon sonuçları üretebildiğini gözlemledi.

Bu Gelişme, Attosaniye Fiziği İçin Kritik Olabilir

Bu gelişmenin en kıymetli kullanım alanlarından biri attosaniye fiziği olabilir. Attosaniye ölçeği, saniyenin milyarda birinin milyarda biri kadar kısa vakit aralıklarını tabir ediyor ve elektronların hareketlerini gerçek vakitli olarak gözlemleyebilmek için kullanılıyor. Fakat bu deneyler son derece yüksek lazer yoğunlukları gerektirdiğinden, araştırmacılar birden fazla vakit kullandıkları sistemlerin fizikî sonlarına yaklaşmak zorunda kalıyor. Yeni yol sayesinde benzeri etkileşimlerin daha düşük güç düzeylerinde gerçekleştirilebilmesi, hem deney güvenliğini artırabilir hem de çok daha hassas ölçümlerin önünü açabilir.

Araştırma birebir vakitte kuantum optik alanında son yıllarda öne çıkan daha geniş bir eğilimi de yansıtıyor. Uzun müddet boyunca fizikçiler kuantum dalgalanmalarını azaltılması gereken bir gürültü kaynağı olarak görüyordu. Lakin günümüzde bu dalgalanmaların makul vazifeleri yerine getiren kullanışlı araçlara dönüştürülebileceği düşünülüyor. Çinli araştırmacıların çalışması da bu yaklaşımın en dikkat cazip örneklerinden biri olarak görülüyor.

Kaynak : Donanimhaber