Basel'de tek bir azot molekülündeki 'yasak' titreşimler molekül kaybedilmeden ölçüldü

Basel Üniversitesi'nden fizikokimyacılar, tek bir azot molekülünde fizikte "yasak" denen titreşim geçişlerini hem tespit etti hem de kontrollü biçimde uyardı. Çalışmanın önemli yanı, ölçümün molekülü yok etmemesi. Aynı molekül defalarca kullanılabildiği için son derece zayıf sinyallerin peşine düşmek mümkün hale geldi. Sonuçlar Nature Communications dergisinde yayımlandı.

"Yasak" geçiş ne demek?

Atom ve moleküllerin enerji düzeyleri arasındaki sıçramalara kuantum atlaması deniyor. Kuzey ışıklarının yeşil parıltısı da böyle bir atlamadan geliyor ve fizikçiler bu tür geçişleri "yasak" olarak adlandırıyor. Terim yanıltıcı, çünkü bu geçişler imkânsız değil, yalnızca çok düşük olasılıklı. Kimi durumda sıradan "izinli" geçişlere göre bir milyar kattan fazla daha zayıf olabiliyorlar.

Bu zayıflık aynı zamanda değerlerinin kaynağı. Yasak bir geçişin frekansı olağanüstü keskin tanımlanabiliyor. Atomlarda bu tür geçişler bugün en hassas saatlerin temelini oluşturuyor. Enerji düzeyleri çok daha karmaşık olan moleküllerde ise bunları bulmak ve denetlemek hâlâ zor.

Molekülü yok etmeden ölçmek

Prof. Dr. Stefan Willitsch'in yönettiği ekip, elektrik yükü taşıyan tek tek azot moleküllerini, yani molekül iyonlarını inceledi. Willitsch'in grubu, bir molekül iyonunda yasak titreşimleri 2014'te ilk kez gözlemlemişti. Ancak o dönemde kullanılan kimyasal algılama yöntemi her ölçüm turunda molekül örneğini tüketiyordu. Willitsch'in ifadesiyle en yüksek hassasiyet için moleküllerin ölçüm sırasında kaybedilmediği, tek molekül üzerinde yapılan deneyler çok daha iyi.

Bunun için kuantum-mantık spektroskopisi denen yöntem kullanıldı. Yüklü tek bir azot molekülü, yüklü bir kalsiyum atomuyla birlikte tuzağa hapsediliyor. Azot molekülü araştırmacıların kolayca algılayabileceği bir ışık yaymıyor, ama kalsiyum atomu lazer ışığıyla parlatılabiliyor. Dikkatle ayarlanmış bir lazer, çifti yalnızca azot molekülü titreşim ve dönme açısından en düşük enerji durumundaysa harekete geçiriyor. Böylece kalsiyum iyonunun tepkisine bakılarak azot molekülünün durumu, ona dokunulmadan anlaşılıyor.

Zayıf çizgilerin avı

Molekülün yasak titreşimlerini uyaran ışık frekanslarını bulmak için ekip başka bir lazerin frekansını tarayarak değiştirdi. Doğru frekansta bir lazer darbesi titreşimi uyarıyor, ikinci bir darbe ise molekülü başlangıç durumuna döndürüyor. Süreç tersinir olduğundan aynı molekül arka arkaya ölçülebiliyor.

Çalışmanın eş birinci yazarı Dr. Aleksandr Shlykov'a göre aynı molekülü tekrar tekrar kullanabilmek belirleyiciydi ve bu kadar sönük çizgilerin aranmasını uygulanabilir kıldı. Buradaki spektral çizgiler, molekülün ışığı soğurduğu frekansları işaret ediyor.

Ekip, tek tek hazırlanmış birkaç yüz molekül üzerindeki ölçümleri birleştirerek geçişin farklı bileşenlerini ayırt etti. Bu sayede molekülün temel titreşim frekansı, önceki ölçümlere kıyasla 10 kat daha hassas belirlendi.

Arka plan

Atom saatleri, bir atomun iki enerji düzeyi arasındaki geçiş frekansını bir tür "sarkaç" gibi kullanır. Geçiş ne kadar keskin ve dış etkilere ne kadar kayıtsızsa saat o kadar kararlı olur. Atomlar bu iş için uzun süredir tercih ediliyor; moleküller ise titreşim ve dönme gibi ek serbestlik dereceleri nedeniyle hem daha zengin hem de çok daha karmaşık bir yapı sunuyor.

Bu karmaşıklık bir fırsat da barındırıyor. Moleküllerin titreşim frekansları, çekirdek ve elektron kütleleri arasındaki ilişki gibi temel büyüklüklere duyarlı. Bu yüzden moleküler spektroskopi, doğa sabitlerinin gerçekten sabit olup olmadığını sınamak için kullanılan yöntemlerden biri. Tek bir molekül iyonunu kontrol altında tutmak ise ölçümü çevresel gürültüden ayırmayı kolaylaştırıyor.

Neden önemli?

Çalışmada incelenen geçişlerden birkaçının dış bozucu etkilere karşı dikkat çekici ölçüde duyarsız olduğu öngörülüyor. Bu kararlılık, onları zaman ölçümü için hassas referans haline getiriyor. Willitsch bu geçişleri gelecekteki moleküler saatler ve kübitler için çok umut verici adaylar olarak değerlendiriyor.

Moleküler titreşimlerin hassas ölçümü temel fizik yasalarının sınanmasına da katkı sağlayabilir. Araştırmacılar örneğin protonların ve elektronların kütlesinin zaman içinde sabit kalıp kalmadığını test edebilir. Ancak bu çalışma henüz bir saat ya da kübit değil; yasak geçişleri molekülü kaybetmeden bulup kontrol etmenin mümkün olduğunu gösteren bir adım. Asıl uygulamalar bu yöntemin üzerine inşa edilecek.