Enerjinin korunumuna ilişkin temel yasa kuantum düzeyinde doğrulandı

Enerji

Teknolojik Yenilik Web Sitesi Editör Ekibi - 07/07/2025

Sıfır açısal momentumlu (yeşil) tek bir fotonun sıfır veya zıt açısal momentumlu (renk gradyanı ile ana hatları çizilmiş) iki fotona (kırmızı) bölünmesinin şeması, toplamları sıfıra ulaşarak açısal momentumun korunumu temel yasasını doğruluyor. [Görsel: Robert Fickler/Tampere Üniversitesi]

Işığın yörüngesel açısal momentumu

Almanya, Finlandiya ve Hindistan'dan fizikçi ve mühendislerden oluşan bir ekip, tek bir fotonun bir çifte bölünmesiyle ışığın açısal momentumunun korunduğunu deneysel olarak doğruladı ve kuantum mekaniği yasalarının geçerli olduğu kuantum düzeyinde ilk kez fiziğin temel bir ilkesini doğruladı.

Bu deneysel gösteri, hesaplama, iletişim ve algılamada kullanışlı olan karmaşık kuantum durumlarının yaratılması için yeni olasılıklar sunuyor.

Enerjinin korunumu yasaları, doğa bilimine ilişkin anlayışımızın merkezinde yer alır ve hangi süreçlerin "izin verildiğini veya yasaklandığını" belirler. Basit ve sezgisel bir örnek, iki bilardo topunun çarpışmasıdır; bu çarpışmada hareket - ve bununla birlikte doğrusal momentumları - bir toptan diğerine aktarılır.

Ancak, açısal momentumu olan dönen nesneler için de benzer bir koruma kuralı vardır. İlginçtir ki, ışık da açısal momentuma sahip olabilir, örneğin yörüngesel açısal momentum (OAM), ışığın uzaysal yapısıyla bağlantılıdır ve ışığı bükmek , ışığı düğümlemek , ışığı bir çörek şekline getirmek - kısacası ışığı şekillendirmek gibi fotonik alanındaki birçok yeni gelişmede yer alır.

Ölçeği kuantum alanına doğru aşağı doğru hareket ettirdiğimizde, bu yasalar, foton adı verilen bireysel ışık parçacıklarının, bu fotonlar elektronlar, atomlar ve diğer parçacıklarla etkileşime girdiğinde korunması gereken iyi tanımlanmış miktarda yörüngesel açısal momentum (OAM) içerdiğini ima eder. Ekibin şimdi yaptığı şey, bu koruma yasalarının testini mutlak kuantum sınırına taşımak ve tek bir foton bir çift fotona bölündüğünde OAM kuantalarının korunmasının geçerli olup olmadığını araştırmaktır.

Bir eksi bir sıfıra eşittir

Örneğin, koruma kuralı, sıfır MAO'lu bir foton iki fotona bölündüğünde, her iki fotonun MAO kuantalarının sıfıra eşit olması gerektiğini belirtir. Bu nedenle, yeni üretilen fotonlardan birinin bir MAO kuantaları varsa, onun eş fotonunun zıttı, yani negatif MAO kuantaları olmalıdır. Ya da başka bir deyişle, basit formül 1 + (-1) = 0 geçerli olmalıdır.

Bu koruma kuralları sayısız lazer optik deneyinde test edilmiş ve kullanılmış olsa da, tek bir foton için hiç test edilmemiştir. Ve bunun iyi bir nedeni vardır: Gerekli olan doğrusal olmayan optik süreçler çok verimsizdir ve fotonların yalnızca milyarda biri bir foton çiftine dönüştürülmektedir.

Ekip bu zorluğun üstesinden son derece kararlı bir optik kurulum, düşük arka plan gürültüsü, mümkün olan en yüksek verimliliğe sahip bir algılama şeması ve bolca sabırla geldi. Sonunda, temel koruma yasasını doğrulayabilecek kadar dönüşüm (önemli sayıda fotonun bölünmesi) kaydedebildiler.

"Deneylerimiz, süreç tek bir foton tarafından yönetildiğinde bile MAO'nun gerçekten korunduğunu gösteriyor. Bu, en temel düzeyde, sürecin simetrisine dayanan temel bir koruma yasasını doğruluyor," diyor araştırmacı Lea Kopf.

Tek bir foton için yörüngesel açısal momentumun korunumunu doğrulamanın yanı sıra, ekip üretilen foton çiftlerinde kuantum dolanıklığının ilk belirtilerini gözlemledi ve bu da tekniğin daha karmaşık fotonik kuantum durumları yaratmak için genişletilebileceğini gösterdi. Profesör Robert Fickler, "Bu çalışma yalnızca temel öneme sahip olmakla kalmıyor, aynı zamanda fotonların mümkün olan her şekilde, yani uzayda, zamanda ve polarizasyonda dolanık olduğu yeni kuantum durumları üretmeye doğru önemli bir adım atıyor," dedi.

Diğer haberler:

Daha fazla konu