Oxford Üniversitesi ve Lizbon’daki Instituto Superior Técnico’dan bir grup araştırmacı, yoğun lazer ışınlarının kuantum vakumuyla nasıl etkileşime girdiğini anlamak amacıyla önemli bir çalışma gerçekleştirdi. Kuantum vakumu, her ne kadar “boş” olarak kabul edilse de aslında kısa süreliğine ortaya çıkan elektron-pozitron çiftleriyle dolu bir alan olarak tanımlanıyor.
Yapılan bu çalışma, ışığın “karanlıktan” geldiği izlenimi uyandıran bir durumu daha yakından incelemeyi amaçlıyor. Bu tür bir durum, klasik fizik bakış açısıyla oldukça sıra dışı ve ilginç görünüyor.
Ekip, bu karmaşık fenomeni daha iyi anlamak için, oldukça gelişmiş bir simülasyon yazılımı olan OSIRIS’i kullandı. Bu yazılım, vakumun içinde gerçekleşen dört dalga karıştırma (four-wave mixing) adlı bir olayı yeniden yaratmayı başardı. Bu süreçte, güçlü lazer darbeleri vakum içindeki sanal parçacıkları polarize ederek fotonların birbirinden sekmesine ve bunun sonucunda dördüncü bir lazer ışınının oluşmasına yol açıyor.
Oxford Üniversitesi Fizik Bölümü’nden Profesör Peter Norreys, bu çalışmanın teorik kuantum etkilerini deneysel olarak doğrulamak adına önemli bir adım olduğunu vurguladı. Bu tür kuantum etkileşimleri, şimdiye kadar çoğunlukla teorik bir düzeyde kalmıştı, ancak bu deney, bu tür etkilerin gözlemlenebilir olduğuna dair önemli bir kanıt sunuyor.
Küresel lazer sistemlerinin rolü
Bu tip deneylerin yapılabilmesi için oldukça güçlü elektromanyetik alanlar üretebilen lazer sistemlerine ihtiyaç duyuluyor. İşte bu noktada, dünyadaki bazı gelişmiş lazer tesisleri devreye giriyor. İngiltere’deki Vulcan 20-20, Avrupa’daki ELI, Çin’deki SHINE ve SEL, ve ABD’deki OPAL gibi sistemler, bu tür nadir kuantum etkilerini gözlemlemek için gereken gücü sağlıyor.
Simülasyonlarının doğruluğunu artırmak için araştırmacılar, Heisenberg-Euler Lagrange’ı temel alan yarı klasik bir sayısal çözücü kullanarak daha hassas veriler elde ettiler. Bu sayede, ışığın güçlü elektromanyetik alanlardan geçerken nasıl bir bölünme veya kayma gösterdiği gibi önemli bir kuantum vakum etkisini modellemeyi başardılar. Ayrıca, bu sonuçları mevcut teorik tahminlerle karşılaştırarak doğrulama yapmaları da mümkün oldu.
Simülasyonun sonuçları
Araştırmada hem düzlem dalga hem de Gauss lazer darbeleri test edildi. Elde edilen sonuçların mevcut teorilerle uyumlu olduğu gözlendi. Dört dalga karıştırma fenomeninde, üç Gauss lazer ışını kullanılarak dördüncü ışının zaman içindeki oluşumu incelendi. Bu simülasyon, lazer ışınının mükemmel bir şekilde şekillenmediğini, biraz astigmatizma gösterdiğini ve etkileşimin ne kadar sürdüğünü net bir şekilde gözler önüne serdi.
Zixin Zhang, Oxford’da doktora öğrencisi olarak bu çalışmanın baş yazarıydı. Zhang, “Yaptığımız simülasyon, kuantum vakumu etkileşimlerinin daha önce mümkün olmayan bir şekilde, 3D zaman çözünürlüklü bir biçimde incelenmesine olanak tanıyor. Üç ışınlı saçılma deneylerini modelleyerek, etkileşim bölgesinin büyüklüğünü ve önemli zaman ölçeklerini çok daha ayrıntılı bir şekilde gözlemleyebildik” dedi.
Son olarak, bu yeni simülasyon aracının yalnızca lazer-madde etkileşimlerini daha iyi anlamakla kalmayıp, aynı zamanda karanlık madde gibi gizemli fenomenlerin araştırılmasında da kullanılabileceği ifade ediliyor. Araştırmacılar, aksiyonlar ve milimetre yüklü parçacıklar gibi potansiyel yeni parçacıkların izlerini sürmek için bu simülasyonun faydalı olabileceğini belirtiyorlar.
