Radyoaktif pozitronyum gazı, mutlak sıfırın bir derece üzerine kadar lazerle soğutulabildi
Tokyo Üniversitesi’ndeki araştırmacıların Nature dergisinde yayınladığı araştırmaya göre; pozitronyum atomlarından oluşan bir gazı lazer tekniği ile 1 Kelvin kadar düşük sıcaklıklara kadar soğutabilmek mümkün.
1988’de, ABD’deki Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı’ndaki iki araştırmacı, pozitronyum atomlarını çok düşük hızlara indirmek için lazer soğutma kullanarak bu zorluğun nasıl üstesinden gelinebileceğine dair teorik bir araştırma yayınladı.
Araştırmanın başyazarı Kosuke Yoshioka ve ekibi, bu erken çalışmadan yola çıkarak pozitronyumu soğutmak için ideal olan yeni bir lazer sistemi geliştirdi.
Ekip; bir darbe anında lazer ışığının frekansının darbenin süresi boyunca artmasını ve soğutma sisteminin foton emilimini rezonansta tutarak atomların yavaşlamasına yanıt vermesini sağladı. Bu teknikle ekip, pozitronyum atomlarını sadece 100 nanosaniye içinde 1 Kelvin civarındaki sıcaklıklara başarıyla soğuttu.
Pozitronyum, antimadde karşılığı olan pozitrona bağlı tek bir elektrondan oluşur. Elektronlar ve pozitronlar sonunda birbirlerini yok etseler de, egzotik bir atom oluşturmak için kısa süreliğine birbirlerine bağlanabilirler.
Mutlak sıfıra ulaşabilir miyiz?
Mutlak sıfır, nesnenin içindeki tüm parçaların hareket etmeyi bırakması olarak özetlenebilir.
Madde moleküllerinin entalpisi ve entropisi mutlak sıfırda teorik minimum değerine ulaşır. Bu nokta termodinamik sıcaklık ölçeğinin en alt sınırı olarak da bilinir.
Entalpi; maddenin yapısında depolanan tüm enerjinin toplamı; entropi ise bir sistemdeki mekanik işe çevrilmeyen, termal enerji olarak tanımlanır.
Özetle mutlak sıfır, Celsius ölçeğinde −273.15 derece, Fahrenheit ölçeğinde −459.67 derece, Kelvin ve Rankine ölçeklerinde de 0 derece olarak alınır.
Teorik olarak mutlak sıfır sıcaklığına ulaşan bir maddenin iç enerjisi 0 olacağından daha fazla soğuyamaz. Mutlak sıfırda moleküllerin durur; yani hareketleri çok küçük titreşimlere indirgenir.
Sıcaklık aslında bu bir sistemdeki tüm parçacıkların enerjisinin veya titreşimlerinin bir ölçüsü olarak betimlenebilir. Sıcak nesneler daha fazla enerjiye sahiptir, bu nedenle parçacıkları daha hızlı titreşebilir. Parçacıkların hiç enerjisi olmadığı ve bu nedenle hareket etmeyi bıraktığı nokta mutlak sıfır olarak tanımlanır.
Bilim insanları, maddenin süperiletkenlik, süperakışkanlık ve Bose-Einstein yoğunlaşması gibi kuantum etkileri gösterdiği mutlak sıfıra yakın sıcaklıklara rutin olarak ulaşmak için çalışıyorlar.
Bose-Einstein kondensatı
Bose–Einstein yoğunlaşması (BEC), mutlak sıfıra yakın son derece düşük sıcaklıklarda oluşan bir madde halidir. Bu sıcaklıklarda, bir grup atom aynı kuantum halini işgal edecekleri noktaya kadar soğutulabilir ve dalga benzeri özelliklere sahip tek bir kuantum varlığı gibi davranabilir.
Bu olgu, 1920’lerde olgunun varlığını tahmin eden Hintli fizikçi Satyendra Nath Bose ve Albert Einstein’ın adını almıştır.
Bir Bose–Einstein yoğunlaşmasında, bozonlar gibi Bose-Einstein istatistiklerini izleyen parçacıklar bireysel kimliklerini kaybeder ve tek bir “süper atom” halinde birleşir.
Bu benzersiz madde hali, araştırmacıların kuantum mekanik etkilerini makroskobik ölçekte incelemelerine olanak tanır. Yoğuşmadaki atomlar sanki yerlerinde “donmuş” gibi hareket eder, uyum içinde hareket eder ve süperakışkanlık (sürtünmesiz akma) ve kuantum girişimi gibi garip kuantum davranışları sergiler.
BEC’ler ilk olarak 1995 yılında Eric Cornell ve Carl Wieman tarafından rubidyum atomları kullanılarak yaratıldı ve bu onlara Fizik dalında Nobel Ödülü kazandırdı.
Mutlak sıfır mümkün mü?
Hindistan Teknoloji Enstitüsü Delhi’den teorik yoğun madde fizikçisi Sankalpa Ghosh, Live Science’a Heisenberg Belirsizlik İlkesi nedeniyle daha büyük nesnelerde yaptığımız gibi küçük parçacıkları veya dalgaları izlemenin imkansız olduğunu söyledi.
Bu ilke, bir parçacığın kesin konumunun ve momentumunun aynı anda mutlak hassasiyetle ölçülemeyeceğini belirtir. Elektron gibi bir temel parçacığın momentumunu kesin değeriyle ölçmeye kalkışmak, bu parçacığın yerini, önceden kestirilemeyecek biçimde değiştirir; bu nedenle, parçacığın momentumunu ölçerken aynı anda yerini de belirlemeye çalışmanın hiçbir anlamı kalmaz.
Ölçü aletlerinin, ölçme tekniklerinin ya da gözlemcinin yetersizliğiyle hiçbir ilgisi olmayan bu sonuç, doğada, atomaltı boyutlardaki parçacıklar ve dalgalar arasında var olan yakın bağlantıdan doğar.
Sonuç olarak, kuantum parçacıkları dalga benzeri özellikler sergiler. Normal sıcaklıklarda, bu kuantum davranışı ihmal edilebilir düzeydedir, ancak parçacıklar soğudukça garip etkiler ortaya çıkmaya başlar.
Ghosh, mutlak sıfıra yaklaşan düşük sıcaklıklarda parçacıklarda, süperakışkanlık (sürtünmesiz akış), süperiletkenlik (dirençsiz akan elektrik akımı) ve ultra soğuk atomik yoğunlaşma gibi kuantum fenomenlerinin hep bu nedenle meydana geldiğini söyledi.
Termodinamik kanunları ayrıca, mutlak sıfıra geleneksel soğutma yöntemleriyle ulaşılamayacağını gösterir. Mümkün olsa bile, bir sistemin yine de sıfır noktası enerjisini, yani kuantum mekaniği nedeniyle kalan minimum enerjiyi koruyacak, yani temel durumun kinetik enerjisi asla tamamen ortadan kaldırılamayacak.
Kaynak: LiveScience, Physics World
