Bilim insanlarının ilk kez tek atomları hareket ettirme yeteneğini gösterdiği günden bu yana 37 yıl geçti. Bu, malzemeleri atom atom tasarlama olasılığını ve özelliklerini özelleştirme imkânını öneriyordu. Bugün, araştırmacıların malzemelere egzotik kuantum özellikleri kazandırmak ve kuantum davranışını anlama yeteneklerini geliştirmek için bireysel atomları hareket ettirmelerine olanak tanıyan birkaç teknik bulunmaktadır.
Ancak mevcut teknikler, atomları yalnızca malzemelerin yüzeyinde iki boyutta hareket ettirebilmektedir. Çoğu da zahmetli ve yavaş süreçler ile yüksek vakum, ultra soğuk laboratuvar koşulları gerektirmektedir.
Artık MIT, Enerji Bakanlığı'nın Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı ve diğer kurumlarda bir grup araştırmacı, bir malzeme içinde on binlerce bireysel atomu dakikalar içinde oda sıcaklığında hassas bir şekilde hareket ettirme yöntemi geliştirdi. Bu yaklaşım, bir elektron demetini malzemenin belirli noktalarına dikkatlice konumlandırmak için bir dizi algoritma kullanıyor ve ardından atomik hareketleri sağlamak için demeti tarıyor.
“Sonuçlar, bir malzemenin 3D atomik kafesi içinde atomları kararlılıkla tekrar tekrar hareket ettirme yeteneğini gösteriyor,” diyor projeyi tasarlayan ve yöneten MIT Araştırma Bilimcisi Julian Klein. “Malzemeleri, istenildiği gibi kusurlar oluşturacak şekilde yeniden programlayabiliyoruz ve doğada bulunmayan tamamen yapay madde halleri gerçekleştirerek, algılama, optik ve manyetik teknolojiler gibi geniş bir uygulama yelpazesine sahip olabiliyoruz. Bu teknikler sayesinde birçok fırsat ortaya çıkıyor.”
“Bu, aynı zamanda bir fotokopi makinesi gibi, birbirinin aynı atomik kusurların sütunlarını oluşturabiliyor,” diyor MIT Malzeme Bilimi ve Mühendisliği TDK Profesörü Frances Ross. “Özellikle faydalı çünkü birkaç atomu hareket ettirip kusurlar oluşturabiliyorsunuz ve bunu tekrar tekrar yaparak, yüzeyin altında bulunan kusurlar sayesinde daha sağlam bir sistemde ayarlanabilir işlevlere sahip üç boyutlu atomik düzenlemeler inşa edebiliyorsunuz.”
Bugün yayımlanan bir Nature makalede, araştırmacılar yaklaşımlarını ve bunu kristal yarı iletken malzemede 40.000'den fazla kuantum kusuru oluşturmak için nasıl kullandıklarını açıkladılar.
Araştırmacılar, bu yaklaşımın malzemelerde kuantum davranışını incelemek için yeni bir yol sunduğunu söylüyor. Bu, bir gün kuantum bilgisayarlar, yoğun manyetik bellek, atom ölçeğinde mantık cihazları gibi kuantum kusurlarından yararlanan sistemlerde iyileştirmelere de yol açabilir.
Klein ve Ross'a makalede, Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'ndan araştırmacılar Kevin Roccapriore ve Andrew Lupini; eski MIT misafir öğrencisi Mads Weile; eski Radbound Üniversitesi araştırmacıları Malte Rösner ve Sergii Grytsiuk; Çek Cumhuriyeti'ndeki Prag Kimya ve Teknoloji Üniversitesi'nden profesör Zdenek Sofer; Londra King's College'da araştırma görevlisi Dimitar Pashov; ve Rocky Dağları Ulusal Laboratuvarı'ndan araştırmacılar Mark van Schilfgaarde ve Swagata Acharya katıldı.
Madde Tasarımı
Artık ünlü bir 1989 gösteriminde, IBM araştırmacıları bir taramalı tünelleme mikroskobu kullanarak soğutulmuş bir kristalin yüzeyinde 35 atomu düzenleyerek “IBM” yazdılar. Atomların hassas bir şekilde konumlandırıldığı ilk kezdi ve önemli bir kilometre taşıydı. Bu yaklaşım, bilim insanlarının atom boyutunda boşluklar ve kristal malzemelerde yüzey atomları gibi belirli kusurları mühendislik etmesine olanak tanıyarak kuantum bilimine büyük ilerlemeler sağladı. Ancak bu 35 atomu yerleştirmek, araştırmacılardan birçok saat, hatta günler almıştı.
Bu gelişmelere paralel olarak, araştırmacılar ayrıca bir vakumda atomları manipüle etmek için optik cımbızlar kullanarak nötr atomları yakalamak ve osilasyon yapan elektrik alanları kullanarak iyonları yakalamak için iki ek yaklaşım geliştirdiler.
Bu yaklaşımlar dikkate değer ilerlemeler sağlasa da, ya yüzeylerle ya da yüksek kontrollü deneysel sistemlerle sınırlı kalmaktadır. Kuantum bilgisayar
