Kuantum sıvıların yüzey gerilimi etkisiyle parçalanarak çoklu damlacıklara dönüşmesi, klasik sıvı dinamiklerine benzeyen yeni bir kuantum fenomenini ortaya çıkardı.
Bilim insanları, ultra soğuk kuantum sıvıların klasik sıvı davranışlarına benzer şekilde parçalanarak damlacıklara ayrıldığını ilk kez gözlemledi. İtalya ve İspanya’dan araştırmacıların ortaklaşa yürüttüğü deneyde, potasyum-41 (⁴¹K) ve rubidyum-87 (⁸⁷Rb) izotoplarından oluşan iki bileşenli bir Bose-Bose karışımı kullanıldı.
Deney sonucunda oluşan çoklu kuantum damlacıkları, bilim insanlarının “kuantum yağmuru” olarak adlandırdığı çarpıcı bir manzarayı ortaya çıkardı. Araştırmanın sonuçları 7 Mart 2025’te Physical Review Letters dergisinde yayınlandı.
Araştırmacılar, başlangıçta etkileşimsiz durumda olan potasyum-rubidyum karışımının atomlar arası çekim gücünü ani bir şekilde artırdı. Bu ani değişim, ilk olarak dalga kılavuzu adı verilen dar bir optik kanal içinde sıkıştırılmış, uzamış bir damlacığın oluşmasına neden oldu. Damlacık, belli bir uzunluğa kadar genişledikten sonra, yüzey gerilimi etkisiyle birden fazla parçaya ayrıldı. Bu parçalar, kuantum damlacıkları olarak adlandırılan küçük, yoğun yapılar şeklinde tanımlandı.
Floransa Üniversitesi’nden fizikçi Chiara Farné Fratini, gözlemlenen bu parçalanmanın klasik sıvı dinamiğinde bilinen Plateau–Rayleigh kararsızlığına benzediğini belirtiyor. Bu tür kararsızlıklar, su damlalarının bir musluktan akarken boncuklar halinde ayrılmasına neden olan mekanizmayla benzerlik gösteriyor.
Bu fenomenin kuantum dünyasında gözlemlenmesi, klasik sıvıların davranışlarıyla kuantum gazlarının nasıl benzer prensiplerle hareket edebileceğini anlamamız açısından önemli bir adım. Klasik sıvılarda damlacıkların şekli, yüzey gerilimi ve dış kuvvetler tarafından belirlenirken; kuantum sıvılarda benzer etkiler, atomların dalga benzeri doğası ve istatistiksel dağılımlar üzerinden ortaya çıkıyor.
Ultra soğutulmuş gazlar içinde oluşan bu kuantum damlacıkları, bireysel atomların kimliklerini kaybettiği, parçacıkların dalga işlevlerinin üst üste bindiği ve tüm sistemin tek bir kuantum durumu gibi davrandığı süperakışkan bir ortamda oluşuyor. Ancak bu homojen ortamda bile enerji dağılımındaki küçük dengesizlikler, damlacık oluşumunu tetikleyebiliyor. Bu etki, Lee-Huang-Yang düzeltmesi olarak bilinen kuantum fluktuasyonlarıyla açıklanıyor.
Kuantum teknolojilerine yeni kapılar aralanıyor
Çalışmanın başyazarı ve İtalya Ulusal Optik Enstitüsü’nden fizikçi Luca Cavicchioli, bu bulguların yalnızca kuantum sıvıların doğasını anlamada değil, aynı zamanda kuantum teknolojilerinde yeni uygulamalara zemin hazırlayabileceğini ifade ediyor. Özellikle kuantum damlacık dizileri oluşturma potansiyeli, bilgi işleme ve hassas ölçüm sistemlerinde çığır açabilecek gelişmelere kapı aralayabilir.
Araştırmada damlacıkların sayısının, karışımdaki atom sayısı arttıkça ve atomlar arası çekim azaldıkça yükseldiği gözlemlendi. Bu da sistemin dinamiğinin hem deneysel hem de teorik olarak modellenebileceğini gösteriyor. Sayısal simülasyonlar, parçalanmanın yüzey geriliminin neden olduğu kapiller kararsızlıkla tutarlı olduğunu ortaya koydu.
Bu gözlemler sayesinde bilim insanları, kuantum dünyasında ortaya çıkan karmaşık davranışları daha yakından inceleyebilecek. Aynı zamanda klasik ve kuantum fiziği arasında doğrudan bir bağ kurularak, günlük yaşantımızda gözlemlediğimiz fiziksel olayların atom altı düzeydeki yansımaları daha net bir şekilde anlaşılabilecek.
Kaynak: Physical Review Letters
