Çinli bilim insanlarından tarihi başarı: Uzayda mutlak sıfıra yaklaşıldı
Çinli araştırmacılar, Tiangong Uzay İstasyonu'nda rubidyum atomlarını 9,7 pikokelvine kadar soğutarak uzayda şimdiye kadar ulaşılan en düşük sıcaklık rekorunu kırdı.
Çinli bilim insanları Tiangong Uzay İstasyonu'nda gerçekleştirdikleri deneyle uzayda şimdiye kadar ulaşılan en düşük sıcaklık rekorunu kırdı. Rubidyum atomlarını 9,7 pikokelvine kadar soğutan araştırmacılar önceki rekoru yaklaşık dört kat geliştirdi. Başarı uzayda kuantum fiziği araştırmaları ve yüksek hassasiyetli ölçümler için yeni kapılar açabilir.
Mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda atomlar Bose-Einstein yoğuşması adı verilen özel bir kuantum durumuna geçebiliyor. Bu durumda çok sayıda atom birbirinden bağımsız parçacıklar gibi davranmak yerine ortak bir kuantum dalgası oluşturuyor. Bu yapı bilim insanlarına kuantum fiziğini incelemek ve normal koşullarda gözlemlenmesi zor olan madde davranışlarını araştırmak için önemli fırsatlar sunuyor.
Atomların sıcaklığı düştükçe hareketleri yavaşlıyor. Böylece bilim insanları atomların davranışlarını daha hassas biçimde inceleyebiliyor. Ancak mutlak sıfıra yaklaşmak özellikle yer çekiminin etkisi nedeniyle oldukça zor. Yer çekimi atomların tutulduğu bölgede aşağı doğru hareket etmesine neden olarak deneylerin hassasiyetini sınırlıyor.
Önceki deneylerde bu sorunu aşmak için manyetik alanlardan yararlanılmıştı. Ancak manyetik tuzaklar atomların içsel spin durumlarını sınırlandırabiliyor. Lazer ışınlarıyla çalışan optik dipol tuzakları ise atomların kontrol edilmesinde daha fazla esneklik sağlıyor. Çinli ekip bu yöntemi mikro yer çekimi ortamında kullanarak önemli bir engeli aşmayı başardı.
Önceki sıcaklık rekoru dört kat geliştirildi
Araştırmacılar deney kapsamında yaklaşık 20 bin rubidyum atomunu lazerle soğutma ve buharlaştırmalı soğutma yöntemlerini kullanarak hazırladı. Buharlaştırmalı soğutma sırasında daha yüksek enerjiye sahip atomlar sistemden uzaklaştırılarak geride kalan atomların sıcaklığı düşürüldü. Ardından atomlar lazer ışınlarıyla oluşturulan optik dipol tuzağına aktarıldı.
Ekip atomları daha geniş bir optik tuzağa taşıdıktan sonra bu tuzağın sınırlandırma gücünü azalttı. Böylece atom bulutunun genişleme enerjisi düşürüldü. Üç boyutlu ölçümler sonucunda 9,7 pikokelvin eşdeğer sıcaklığa ulaşıldığı belirlendi. Ölçümdeki belirsizlik aralığı ise 7,0 ile 12,9 pikokelvin olarak açıklandı.
Bu sonuç daha önce bir düşme kulesinde gerçekleştirilen ve 38 pikokelvin seviyesinde kaydedilen rekoru yaklaşık dört kat geride bıraktı. Uluslararası Uzay İstasyonu'ndaki Cold Atom Laboratory laboratuvarında gerçekleştirilen başka bir deneyde ise manyetik tuzaklar ve madde dalgası mercekleme yöntemleriyle 52 pikokelvin seviyesine ulaşılmıştı.
Yeni deneyin önemli avantajlarından biri de ölçüm süresinin uzatılması oldu. Çinli araştırmacılar atom bulutunun serbest genişlemesini 7 saniye boyunca takip edebildi. Bu süre düşme kulesindeki deneylerde elde edilen 2 saniyelik ve Uluslararası Uzay İstasyonu'ndaki önceki çalışmada kaydedilen 1 saniyelik ölçüm süresinden oldukça uzun.
Burada belirtilen sıcaklık değerlerinin doğrudan geleneksel termodinamik sıcaklık ölçümlerini temsil etmediğini belirtmek gerekiyor. Pikokelvin cinsinden ifade edilen eşdeğer sıcaklık atom bulutunun genişleme enerjisi ve hızı üzerinden hesaplanıyor.
Kuantum fiziği araştırmalarında yeni bir dönem başlayabilir. Araştırmacılara göre bu başarı yalnızca bir sıcaklık rekoru kırılmasından ibaret değil. Uzayda mikro yer çekimi koşullarında çok düşük sıcaklıklara ulaşılması ve atomların daha uzun süre gözlemlenebilmesi daha önce gerçekleştirilmesi zor olan kuantum deneylerinin önünü açabilir.
Gelecekte ayarlanabilir hacme sahip optik tuzakların kullanılmasıyla deneylerdeki atom sayısının artırılması da hedefleniyor. Bilim insanları özel olarak şekillendirilmiş lazer alanları sayesinde egzotik kuantum fazlarını incelemeyi planlıyor. Bose camı ve fraktal Mott fazları gibi sıra dışı madde durumlarının araştırılması da olası çalışmalar arasında bulunuyor.
Bir diğer önemli hedef ise uzay tabanlı atom Mach-Zehnder interferometrelerinin geliştirilmesi. Bu sistemler atomların kuantum dalga özelliklerinden yararlanarak son derece hassas ölçümler yapılmasını sağlayabilir. Böylece eşdeğerlik ilkesi gibi fiziğin temel prensipleri uzay ortamında çok daha yüksek hassasiyetle test edilebilir.