Yükselticilerin bulunmadığı bir çağdaş yaşam düşünmek güç. İster stereo setiniz bir Mozart konserini aslını aratmayacak biçimde iletsin, isterse cep telefonunuz telsiz ko-nuşmasını güçlendirsin, yükseltici-ler günlük yaşamımızın bir parçası olmuş durumda. Adından da anlaşı-labileceği gibi yükselticiler bir sin-yali güçlendiren aygıtlar. Genel ola-rak sinyal, salınımlı bir elektrik akı-mı, bir radyo dalgası ya da ışık de-meti gibi bir dalgadan oluşur. Kuan-tum mekaniğinde madde de bir dal-ga olarak tanımlanabilir. O halde öteki dalgalar gibi madde dalgaları da yükseltilebilmeli. ABD’deki Massachusetts Teknoloji Enstitüsü (MIT) araştırmacıları, bir Bose-Einstein çökeltisi kullanarak ilk kez bir madde (atom) dalgasının faz uyumlu biçimde yükseltilebileceği-ni gösterdiler.
Maddenin, kuantum, ya da dalga mekaniği açısından yorumunda atomlar, hızlarına ters orantılı dalga boylarına sahip oluyorlar. Oda sıcak-lığındaki atomlar için bu dalgaboyu bir nanometreden (maddenin mil-yarda biri) daha kısa. Ayrıca atomlar
her yönde büyük hızlarla hareket et-tiklerinden iki atomun aynı zaman-da, aynı yerde ve aynı hızda birlikte bulunmaları olasılığı son derece dü-şük. Bu da günlük yaşantımızda atomların dalga özelliklerini gözle-yebilmemizi güçleştiriyor. Bose-Einstein çökeltisiyse, bilimsel tanı-mıyla, içindeki parçacıklardan birço-ğunun aynı kuantum durumunu paylaştığı bir "kuantum gazı". Yani bu parçacıklar, aynı zamanda, aynı yerde ve aynı hızda bulunuyor. Bu durumda Bose-Einstein çökeltisi, makroskopik bir dalga gibi davranı-yor. Bose-Einstein çökeltisinin oluş-tuğu çok düşük sıcaklıklarda [10-20 nanokelvin (-273°C’nin biraz üstü)] atomların dalga boyları onlarca mik-rometreye kadar çıkar ve sıradan op-tik araçlarla gözlenebilir. Aynı (uzun) dalga boylarındaki çok sayıda atom, Bose-Einstein çökeltisini, madde dalgalarının nasıl yükseltile-bileceğini gösteren ideal bir araç ya-pıyor.
Bir yükselticinin temel işlevi, bir dalgayı (girdi) alıp, daha yoğun, ama özünde aynı bir dalga (çıktı) üret-mek. Pratikte, yükseltici içinde bir
kazanç ortamı bulunur. Bu ortamda, girdiyle bağıntılı olarak çıktıya bir dış enerji (uyarım kaynağı) transferi yapılır. Çıktının, girdiye göre artış miktarı, yükselticinin kazanç kapa-sitesini belirler. Optik bir yükseltici-de, yani lazerde kazanç ortamı, (gaz, sıvı ya da katı) atom ya da molekül topluluğudur. Bu atom ya da mole-küllerdeki enerji öyle bir düzeyde-dir ki, aralarındaki bir geçiş, yüksel-tilecek ışığın dalga boyuna eşit olur. Uyarım kaynağı atomlardan bazıları-nı iki enerji düzeyinden daha yük-sek olanına geçirir. Girdi dalgası da-ha sonra bu enerjisi yükselmiş atom-ları daha alt enerji düzeylerine düş-meye iter. Bunlar da bir alt düzeye düşerken girdi dalgasıyla aynı yön-de ve aynı dalga boyunda ışınım ya-yarlar. Bu sürece uyarılmış yayım denir. Lazer sözcüğü de İngilizce de “uyarılmış ışınım yayımı yoluyla ışı-ğın yükseltilmesi (light amplificati-on by stimulated emissiamplificati-on of radiati-on)” sözcüklerinin baş harflerinden oluşur.
Madde dalgası yükselticisi de, aynı uyarılmış yayım ilkesine göre çalışır. Tek fark, ışınım yerine atom yayımı uyarılır. Işığın tersine atom-lar boşluktan yaratılamaz; bu neden-le de bir yayımlanacak atom deposu olması gerekir. MIT araştırmacıları, girdi dalgasını hazırlamak için bir Bose-Einstein çökeltesinin optik olarak yaratılmış Bragg girişimini kullanmışlar. Bu, atomların küçük frekans farkları olan iki lazer ışın de-metine tutulduğu bir süreç. Başta hareketsiz durumda olan atomlar, daha yüksek frekanslı lazer ışının-dan bir foton alıp, daha düşük fre-kanstakine verir. Sonuçta, atomlar, iki frekans arasındaki, dalga boyları ve görece yönleriyle belirlenen mo-mentum farkına eşit bir momo-mentum kazanır. Böylece, seçilmiş bir yönde
Bilim ve Teknik
Madde Dalgalarını
Yükseltmek
Optik dalga mı, madde dalgası mı?
Optik bir yükselticide (lazerde) kazanç ortamı, en az üç enerji düzeyindeki atom ya da moleküller-den oluşur. (1) deki atomlar, bir uyarıcı kaynağıyla (örneğin bir başka lazer) (e)’ye trans-fer edilir. Girdi dalgası, atomları (2)’ye geçmeye ve bir foton yayımlamaya sevkeder. Yayımlanan foton. Girdi fotonlarından farksızdır. Böylece daha yoğun ama başka özellikleri bakımından girdiyle tıpatıp aynı olan bir çıktı dalgası oluşur. Madde dalgası yükselticisindeyse, atomlar için üç farklı enerji düzeyi gereklidir. Işığın tersine, madde dalgası yükselticisinde atomlar boşluktan yaratılamazlar. Dolayısıyla da kazanç ortamı aynı zamanda bir atom deposu işlevi görür. Bir uyarıcı fotonunu soğurduktan sonra (e) uyarılma düzeyin-deki atom, başka bir foton yayımlayarak rastgele fazda bir başka duruma, örneğin (2)’ye geçeb,ilir. Ama girdi madde dalgasının varlığında, uyarılmış atom, girdi atomlarıyla aynı hız ve fazla (2)’ye girme eğilimi taşır. Böylece daha yoğun, ama başka bakımlardan girdiden farksız bir dalga çıktısı oluşur. Yükseltme süreci, kazanç ortamındaki her atom (2)’ye geçtiğinde sona erer.
Uyarıcı Uyarıcı Çıktı Çıktı Kazanç ortamı Kazanç ortamı Optik yükseltici (lazer)
Madde dalgası yükselticisi Girdi
geri tepen bir girdi madde dalgası yaratılmış olur.
Girdi dalganın yükseltilmesi, Bose-Einstein çökeltisinin, Bragg girişimi için kullanılan lazerlerden biriyle yoğun biçimde "uyarılması" yoluyla gerçekleştiriliyor. Bu du-rumda çökelti, kazanç ortamının iş-levini görüyor. Çökeltideki atomlar-dan bazıları, lazerden bir foton soğu-ruyorlar ve soğurdukları fotonu rast-gele yayımlamadan önce girdi mad-de dalgasını "görmeleri" durumun-da, fotonları öteki lazer demetinin yönünde yayımlıyorlar. Sonuçta, ge-ri tepen atomlar, girdi dalgasıyla ay-nı momentuma (ayay-nı yöne ve dalga boyuna) sahip oluyorlar. Başka bir deyişle, girdi dalgası, uyarılmış ya-yım yoluyla güçlendirilmiş oluyor ve uyarılmış kazanç ortamından daha büyük bir çıktı dalga
oluşturuyor. MIT araştırmacıları, de-neylerinde 10-100 düzeylerinde kazanç-lar gözlemişler. Bu-nun anlamı, yükselt-me sürecinden sonra girdi atımının (pulse) içinde 10-100 kat faz-la atom olması.
Girdi dalgasından daha yoğun ama baş-ka bakımlardan bu dalgayla tıpatıp aynı bir dalga oluşturan yükselticiler, "faz
uyumlu" olarak tanımlanıyor. Ta-nım, bunları yalnızca çıktının kuv-vetini arttıran yükselticilerden ayırı-yor. Eğer bir kesim işleminde kul-lanmak için yüksek güçte bir ışık demetine gereksinim duyuyorsanız, yalnızca kuvvet arttıran yükseltici-ler işinizi görür. Faz uyumlu yüksel-ticilerse, interferometri (girişim öl-çümü) ya da faz modüllü sinyal ileti-mi girişim "faza duyarlı", işlemler için önemli. Araştırmacılar, yükselti-cilerinin faz uyum derecesini dene-mek için interferometri tekniğine başvurmuşlar. Optik uyarımlı Bragg kırılımından yararlanarak, girdi atı-mıyla aynı (pulse) değerde bir kont-rol atımı oluşturmuşlar. Bu kontkont-rol atımının, yükseltilmiş atımla yaptığı girişime bakarak, sürecin faz uyum-lu olduğunu doğrulamışlar.
Şimdiye değin yapılan çalışmalar-da, uyarılmış yayım sürecinde faz uyumu gözlenememiş. Çökeltide optik olarak uyarılmış atomların madde dalga yükseltimi için bir ka-zanç ortamı işlevi görme yetenekleri, ilk kez MIT ekibince saptanmış. Ekip, daha önce kendiliğinden ya-yım yoluyla foton yayan uyarılmış bir çökeltinin, yayımı rastgele bir yönde yükseltecek yeterli kazanca sahip ol-duğunu gözlemiş. Bu süreç, atom buharlarında kendiliğinden yüksel-tilmiş ışık yayımını andırıyor. Uyarıl-mış atom yayımı, dört farklı dalgada-ki atomların karışımında da ortaya çı-kıyor. Bu durumda uyarılmış atom yayımı, optik bir alandan gelen uya-rıyla değil, Bose-Einstein çökeltisin-deki atomların dalga ortalamasıyla etkileşimleri sonucu oluşuyor.
Araştırmacıların, madde dalgala-rının, fazlarını koruyarak yükseltile-bileceğini kanıtlamaları, hızla geli-şen madde dalgası optiği alanında heyecan verici bir gelişme olarak değerlendiriliyor. Daha şimdi-den,benzer deneylerin Tokyo Üni-versitesi’nde de tekrarlandığı bildi-riliyor. Ancak yöntem, kolayca ger-çekleştirilebilen bir şey değil. MIT araştırmacıları, faz uyumlu yükselt-meler için 4 düzeyinde bir kazanç-tan söz ediyorlar (sayısal kazanç ise 10-100 arası). Nedeni, fotonların ter-sine atomların birbirleriyle doğru-dan etkileşerek, yükseltilmiş madde dalgasının bozulmasına yol açabili-yorlar. Gene de bu deneylerin, la-zerlere en yakın madde dalgası ör-neklerini ortaya koyduğu düşünülü-yor. "Atom lazerleri"nin ilk
örnekle-ri, bir Bose-Einstein çökeltisinden düzenli bir atom demeti elde edil-mesi temeline dayanıyordu. Bazı fi-zikçilerse, atomların gerçekte "yük-seltilemeyeceği" savıyla, benzet-men,in yanlış olduğu görüsünü sa-vunmaktaydılar. Uyarılmış atom ya-yımı yoluyla faz uyumlu madde dal-gası yükseltimiyse, gerçek bir atom lazeri ne daha yakın bir uygulama.
Bu araştırmaların gelecekteki et-kisi konusunda şimdiden bir şey söylemek güç. Ne var ki, hiç kimse çağdaş lazerlerin başarısını, ilk başta aklına bile getirememişti. İlk lazer-ler de, biri kendilazer-lerine yararlı bir iş-lev bulana kadar yıllarca laboratu-varlarda çürüyen koca koca aygıtlar-dı. Uyumlu bir madde dalgasıysa, kullanılması bir lazere göre çok daha güç bir araç. Örneğin, lazerdeki ca-mın tersine, atomların içinden kolaylıkla ge-çebilecekleri bir ma-teryal bulunmuyor. Üs-telik atomların da son derece yüksek bir va-kumda tutulmaları ge-rekiyor.
Bu sorunlara karşın, madde dalgalarının, la-ser ışığından daha ya-rarlı olduğu durumlar da var. Örneğin, faz uyumlu optik yükselti-ciler, kütleçekiminin duyarlı bir biçimde öl-çülebilmesi için optik interferometre jiroskoplarında kulla-nılıyor. Ancak madde dalgası inter-ferometre jiroskoplarıysa, duyarlılık-ta optik benzerlerini geçmiş bulunu-yor. Ancak bir madde dalgası yüksel-ticisi yardımıyla bu duyarlılık daha da yükseltilebilir. Faz uyumlu optik yükselticiler, optik lifle yapılan ileti-şimde olduğu gibi, bir lazer çıktıları-nın yükseltilmesinde kullanılabilir. Benzer biçimde, bir faz uyumlu madde dalgası yükselticisi de, örne-ğin atom litografisinde, bir atom la-zerinin çıktısının güçlendirilmesin-de kullanılabilir. Madgüçlendirilmesin-de dalgalarının bu biçimde yükseltilebilmesi, daha gelişkin ve daha parlak atom lazerle-rini ufkumuza taşıyor.
Helmerson, K, Giving A Boost to Atoms, Nature, 9 Aralık 1999 Çeviri: Raşit Gürdilek
