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