Madde, aşırı düşük sıcaklıklarda farklı davranmaya başlar; bu da kuantum fiziğini ve yeni madde hallerini incelemek için ideal koşullar oluşturur. Çinli araştırmacılar, Tiangong uzay istasyonunda yeni bir düşük sıcaklık rekoruna ulaştı. Science dergisinde yayınlanan araştırma, kuantum fiziği ve uzayda hassas ölçümler alanında yeni deneylerin önünü açabilir.
Mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda atomlar, ortak bir kuantum dalgası gibi davranan bir bulut oluşturabilir. Bu buluta Bose–Einstein yoğunlaşması (Bose–Einstein condensate/BEC) denir. BEC’ler fizik araştırmaları için önemli, makalenin yazarları da onları “kuantum benzetimi için çok yönlü platformlar” olarak tanımlıyor. Atomlar soğudukça yavaşlar, bu da bilim insanlarının daha hassas ölçümler yapmasına olanak tanır. Bu durum, giderek daha düşük sıcaklıklar için yarışı da beraberinde getirir.
Öte yandan, mutlak sıfıra yakın sıcaklıklara ulaşmak oldukça zor. Yerçekimi, atomların tuzak içinde aşağı doğru çökmesine yol açarak kısıtlama yaratır. Yerçekimini dengelemek için manyetik levitasyon kullanılıyordu ancak bu yöntem atomların hepsinin aynı iç spin durumunda olmasını zorunlu kılarak yeni bir sorun doğuruyor. Lazer ışınları kullanan optik tuzaklar daha esnek bir denetim sağlasa da bu çalışmadan önce mikroyerçekimi koşullarında doğrudan bir yoğuşuk elde etmek için kullanılmamıştı.
Önceki sıcaklık rekoru, serbest düşme durumu oluşturan bir düşme kulesi (drop tower) kullanılarak elde edilmişti ve 38 pikokelvinlik (bir kelvinin çok küçük bir kesri) eşdeğer sıcaklığa ulaşılmıştı. Uluslararası Uzay İstasyonu’ndaki Soğuk Atom Laboratuvarı’nda yapılan bir diğer uzay deneyi ise manyetik tuzaklama ve madde dalgası merceklemesi (matter-wave lensing) ile 52 pikokelvine inmişti. Bununla birlikte, bilim insanları “eşdeğer sıcaklık” kavramını kullanmakta; bu kavram, bulutun genleşme enerjisini ve hızını ifade eder. Bu tür deneylerde olağan anlamda bir termodinamik sıcaklık tanımlamak pratik görülmez.
Yeni araştırmanın ekibi, nötr atomları ve mikroskobik parçacıkları odaklanmış lazer ışınlarıyla yerinde tutan optik dipol tuzaklarından (ODT) yararlanarak daha da düşük bir sıcaklığa ulaşılabileceğine inanıyordu. Bunu uzayda yapmak, düşme kulesi deneylerindeki gibi kısa sürelerle sınırlı olmayan bir mikroyerçekimi ortamı sağlayacaktı.
Uzayda lazerlerle yeni rekor
Hedeflerine ulaşmak için ekip, yaklaşık 20 bin rubidyum atomunu lazer soğutması ve buharlaştırmalı soğutma ile soğuttu; buharlaştırmalı soğutma, enerjisi yüksek atomları sistemden uzaklaştırır. Bu sayede bir ODT içinde yoğun madde (kondensat) oluşturuldu. Manyetik alan gradyanı da ilk soğutma aşamasını iyileştirerek manyetik bozulmalara daha az duyarlı bir yoğunlaşma elde edilmesini sağladı. Ardından atomlar daha geniş bir optik tuzağa aktarıldı ve genleşme enerjisini azaltmak için tuzağın sıkıştırma (hapsetme) kuvveti zayıflatıldı. Son olarak bulutun genleşmesi üç boyutta ölçüldü.
Ölçülen eşdeğer sıcaklık 9,7 pikokelvin oldu; bu değer önceki rekordan dört kat daha düşük. Ekip, 9,7 pikokelvinlik değerin belirsizlik aralığının 7,0 ile 12,9 pikokelvin arasında uzandığını belirtiyor. Genleşmenin izlenebildiği serbest genleşme süresi 7 saniye; bu süre, düşme kulesi deneyindeki 2 saniyelik ve Uluslararası Uzay İstasyonu’ndaki 1 saniyelik serbest genleşme sürelerinden çok daha uzun.
Sırada ne var?
Çinli bilim insanlarının iddia ettiği bu rekor düzeydeki düşük sıcaklıklarda deneyler yapabilme ve daha uzun zaman aralıklarında ölçümler gerçekleştirebilme becerisi, yeni fırsatların önünü açıyor. Ekip, hacmi ayarlanabilir tuzakların deneylerde kullanılabilecek atom sayısını da artırabileceğini söylüyor. Gelecekteki olası çalışmalar arasında, özenle şekillendirilmiş lazer alanları kullanılarak sıra dışı kuantum durumlarının incelenmesi ve uzay tabanlı atom interferometrelerinden yararlanılması yer alıyor.
Phys org’un haberine göre, makalenin yazarları yeni sistemi güçlü bir araç olarak şu sözlerle tanımlıyor:
“Birincisi, uzayın benzersiz ortamında düşük sıcaklık fiziğini araştırmak için kuantum benzetimini mümkün kılmayı hedefler. Buna, tek boyutlu bozonik sistemlerde Tomonaga-Luttinger sıvısı düzeninin bozunmasının incelenmesi ve düzensiz potansiyellerde Bose-glass veya fraktal Mott fazlarının özelliklerinin araştırılması gibi egzotik kuantum fazlarının çalışılması dahildir. İkinci olası hedef, uzay tabanlı bir atom Mach-Zehnder interferometresinin kurulmasıdır; bu cihaz, eşdeğerlik ilkesi gibi temel ilkelerin hassas testlerini yapma potansiyeli taşır.”
Kaynak: Science