Çinli bilim insanlarından tarihi başarı: Uzayda mutlak sıfıra yaklaşıldı

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

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.

Ayrıca Bkz.Bilim insanları yaşamın olmadığı bir Dünya simülasyonu yarattı

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.