Tokyo Bilim Üniversitesi araştırmacılar, pozitronyum demetinde dalga-parçacık ikiliğini ilk defa gözlemledi. Pozitronyum, bir elektron ile onun antimadde karşılığı olan bir pozitronun birbirine bağlanmasıyla oluşan, kısa ömürlü ve elektriksel olarak nötr bir sistem. Bu yönüyle sıradan atomlardan farklı. Çekirdeğinde ağır bir proton bulunmuyor; iki parçacık da aynı kütleye sahip ve ortak kütle merkezleri etrafında dönüyor.
Eşit kütleli yapısı dolayısıyla pozitronyum kuantum mekaniğinde alışılmış mekanizmaları sorgulatıyor. Kendini hızlıca yok etmesi ve üretiminin zorluğu sebebiyle, dalga özellikleri doğrudan gözlemlenememişti.
Araştırmanın baş yazarı Yasuyuki Nagashima, “Pozitronyum, eşit kütleli bileşenlerden oluşan en basit atomdur ve kendi kendini yok edene kadar vakumda nötr bir atom gibi davranır. Şimdi, ilk kez, pozitronyum ışınında kuantum girişimini gözlemledik; bu da pozitronyum kullanarak temel fizikte yeni araştırmaların önünü açabilir.” dedi.
Dalga-parçacık ikiliği
Phys.org’un haberine göre; kuantum fiziğini klasik fizikten ayıran temel fark, maddenin en küçük ölçeklerde farklı davrandığının gözlemlenmesiydi. Bu farklardan ilki ve belki de en önemlisi; dalga-parçacık ikiliği olarak biliniyor. Atom altı dünyada parçacıklar, yalnızca noktasal cisimler gibi hareket etmiyor; aynı zamanda dalga özellikleri de sergiliyor. Bu olgu, dalga-parçacık ikiliği olarak biliniyor ve kuantum mekaniğinin temel taşlarından birini oluşturuyor. Özellik, ilk olarak çift yarık deneyinde gözlemleniyor.
Elektronlar iki yarıktan geçirildiğinde, dedektör üzerinde açık ve koyu saçaklardan oluşan girişim deseni oluşturuyor. Desen, her elektronun bir dalga gibi davrandığını, kuantum dalga fonksiyonunun her iki yarıktan da geçtiğini ve kendisiyle girişim yaptığını gösteriyor. Deney sonradan nötronlar ve helyum atomlarıyla yapıldığında da yine aynı sonuçlar ortaya çıkıyor. Kuantum fiziğinin en ilginç sistemlerinden biri pozitronyum için doğrudan gözlem bugüne kadar yapılamamıştı.
Grafen farkı ortaya çıkardı
Pozitronyumdaki kuantum girişiminin daha önce gözlemlenemesinin sebebi, kısa süreli varlıkları. Araştırmacılar, deney için son derece kaliteli ve tutarlı bir pozitronyum demeti üretti. Bunun için önce negatif yüklü pozitronyum iyonları oluşturuldu, ardından hassas bir lazer darbesiyle fazla elektron uzaklaştırıldı. Böylece hızlı, nötr ve kuantum olarak tutarlı bir pozitronyum demeti elde edildi.
Deneyin diğer kritik adımlarından biri, pozitronyum demetinin grafen tabakasına yönlendirilmesiydi. Grafen, karbon atomlarının son derece düzenli dizildiği, atomlar arası mesafeleri çok iyi tanımlanmış bir malzeme. Mesafeler, deneyde kullanılan pozitronyumun de Broglie dalga boyuna karşılık gelecek şekilde seçildi.
De Broglie dalga boyu, kuantum mekaniğinde hareket eden her parçacığın aynı zamanda bir dalga özelliği taşıdığını ifade eden temel bir kavram. Fransız fizikçi Louis de Broglie tarafından ortaya atılan bu fikir, bir parçacığın dalga boyunun, kütlesine ve hızına bağlı olarak belirlendiğini ifade ediyor. Parçacık hafif ve yavaşsa dalga boyu uzuyor, ağır ve hızlıysa kısalıyor. Bu parçacığın kuantum dünyasında nasıl davrandığını belirleyen ölçüt olarak kabul ediliyor.
Pozisyon duyarlı dedektörlerle yapılan ölçümler, pozitronyum demetinin grafenden geçerken net bir kırınım deseni oluşturduğunu ortaya koydu. Sonuç, pozitronyumun elektron ve pozitronun ayrı ayrı değil, tek bir kuantum nesnesi olarak davrandığını gösterdi.
Araştırma; teknik bir başarı olmasının yanında, antimadde ve kütleçekimi testlerinde kullanılabilecek. Pozitronyum nötr ve kontrol edilebilen antimadde içeriyor. Kuantum girişim deneylerinde, pozitronyum demetinin kütle çekimi alanında nasıl saptığı ya da fazının nasıl değiştiği gözlemlemek, antimaddenin kütle çekimi altında nasıl davrandığı test edilebilir.
Kaynak: Nature Communications