Sanayi Devrimi'ne yön veren ve buhar makinelerinin çalışma prensibini açıklayan termodinamik yasaları, yüzyıllar sonra en küçük parçacıkların dünyasına uyarlanıyor. Basel Üniversitesi'nde Profesör Patrick Potts liderliğindeki araştırma ekibi, kuantum sistemlerinde termodinamik nicelikleri tutarlı bir şekilde tanımlamanın yeni bir yöntemini keşfetti. Çalışmanın sonuçları saygın bilim dergisi Physical Review Letters’da yayımlandı.
yüzyılda ısının işe dönüştürülmesiyle şekillenen termodinamik, kapalı bir sistemde enerjinin korunduğunu ve entropinin (düzensizliğin) azalmayacağını belirtir. Ancak bu yasalar, mikroskobik kuantum sistemlerine uygulandığında ‘yararlı iş’ ve ‘ısı’ arasındaki ayrım bulanıklaşarak bilim insanlarını zorluyordu.
MİKROSKOBİK DÜZEYDE KAVRAM KARMAŞASI
Kuantum sistemlerindeki temel sorunun ölçek olduğunu belirten doktora öğrencisi Aaron Daniel, ‘Bu sistemlerde her şey mikroskobik olduğu için, yararlı makroskobik enerji olan 'iş' ile düzensiz mikroskobik hareket olan 'ısı' arasındaki ayrımı yapmak artık basit değil’ ifadelerini kullandı.
Araştırma ekibi bu sorunu çözmek için ‘boşluk rezonatörleri’ adı verilen ve lazer ışığının iki ayna arasında yansıtıldığı sistemleri inceledi. Lazer ışığının atomlarla dolu bir boşluktan geçerken ‘tutarlılık’ (koherans) özelliğini kaybetmesi, hesaplamaların başlangıç noktasını oluşturdu.
LAZER IŞIĞI İLE YENİ BİR MODEL
Ekip, kuantum pillerini şarj etme kapasitesine sahip olan tutarlı lazer ışığını ‘iş’ olarak tanımladı. Buna karşılık, atomlarla etkileşime girerek tutarlılığını yitiren ve düzensizleşen ışık ise ‘ısı’ olarak sınıflandırıldı.
Daniel ve meslektaşları, çıkan ışığın sadece tutarlı kısmını iş, tutarsız kısmını ise ısı olarak kabul ettiklerinde, termodinamiğin her iki temel yasasının da sağlandığını kanıtladı. Bu yaklaşım, kuantum seviyesinde tutarlı bir termodinamik model oluşturulmasını sağladı.
KUANTUM AĞLARI İÇİN TEKNİK ZEMİN
Geliştirilen bu yeni formalizm, sadece teorik bir ilerleme olmakla kalmayıp pratik uygulamalara da kapı aralıyor. Araştırmacılar, bu yöntemin gelecekte kuantum ağları ve kuantum bataryaları gibi teknolojilerdeki karmaşık problemlerin çözümünde kullanılabileceğini belirtiyor. Ayrıca çalışma, makroskobik sistemlerin klasik fizikten kuantum davranışına geçiş sürecinin daha iyi anlaşılmasına da olanak tanıyor.
