Bilim adamları Çin’in uzay istasyonunda rekor kıran düşük sıcaklıklara ulaşarak yeni fizik deneylerinin önünü açıyor

Madde son derece düşük sıcaklıklarda farklı davranmaya başlar ve kuantum fiziğini ve maddenin yeni durumlarını incelemek için ideal koşulları yaratır. Şimdi, Çinli araştırmacılar Tiangong uzay istasyonunda yeni bir düşük sıcaklık rekoruna ulaştı. Yakın zamanda yayınlanan araştırmaları Bilimkuantum fiziğinde yeni nesil deneylere ve uzayda hassas ölçümlere yol açabilir.

En düşük sıcaklık arayışı

Mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda atomlar, Bose-Einstein yoğunlaşması (BEC) adı verilen ve ortak bir kuantum dalgası gibi davranan bir tür bulut oluşturabilir. BEC’ler fizik araştırmaları için değerlidir. Yeni çalışmanın yazarları bunları “kuantum simülasyonu için çok yönlü platformlar” olarak tanımlıyor. Atomlar ne kadar soğursa o kadar yavaşlar ve bu da bilim adamlarının daha iyi ölçümler yapmasına olanak tanır. Bu durum daha düşük ve daha düşük sıcaklıklara yönelik arayışlara yol açmıştır.

Ancak mutlak sıfıra yakın aşırı düşük sıcaklıklara ulaşmak zor olabilir. Yerçekimi, atomların tuzakta sarkmasına neden olarak kısıtlamalar yaratır. Manyetik kaldırma, yerçekimine karşı koymak için kullanıldı, ancak atomları aynı iç dönüş durumuna sahip olmaya zorlayarak yeni bir sorun yaratıyor. Optik tuzaklar lazer ışınlarını kullanıyor ve daha esnek kontrol sunuyor ancak yeni çalışmadan önce mikro yerçekimi koşulları altında doğrudan bir yoğunlaşma üretmemişlerdi.

Önceki rekor düşük sıcaklık, serbest düşme durumunu tetiklemek için bir düşme kulesi kullanılarak elde edildi ve 38 pikokelvin (bir kelvin’in çok küçük bir kısmı) eşdeğer sıcaklığa ulaştı. Uluslararası Uzay İstasyonu’nun Soğuk Atom Laboratuvarı’ndaki bir başka uzay temelli deney, manyetik yakalama ve madde dalgası merceği kullanılarak 52 pikokelvin’e ulaştı. Bilim insanları bulutun genleşme enerjisini ve hızını tanımlayan eşdeğer sıcaklığı kullanıyor çünkü sıradan bir termodinamik sıcaklık bu tür deneyler için pratik değil.

Yeni çalışmaya katılan ekip, nötr atomları ve mikroskobik parçacıkları yerinde tutmak için odaklanmış lazer ışınlarını kullanan optik dipol tuzaklarından (ODT’ler) yararlanarak daha da düşük bir sıcaklığa ulaşabileceklerine inanıyordu. Bunu uzayda yapmak, düşme kulesi deneyleri gibi kısa sürelerle sınırlı olmayan bir mikro yerçekimi ortamına izin verecektir.

Uzayda lazer kullanılarak yeni bir rekor

Ekip, hedeflerine ulaşmak için, ODT’de bir yoğunlaşma oluşturmak için yaklaşık 20.000 rubidyum atomunu lazer soğutma ve yüksek enerjili atomları ortadan kaldıran buharlaşmalı soğutma ile soğuttu. Bir manyetik alan gradyanı aynı zamanda ilk soğutmayı da iyileştirerek, manyetik bozulmalara karşı daha az duyarlı bir yoğuşma üretti. Daha sonra atomları daha geniş bir optik tuzağa aktardılar ve genişleme enerjisini azaltmak için bu tuzağı zayıflattılar. Daha sonra bulutun genişlemesini üç boyutlu olarak ölçtüler.

Ölçülen eşdeğer sıcaklık 9,7 pikokelvin idi; bu önceki rekordan dört kat daha düşüktü. Ekip, 9,7 pikokelvin etrafındaki belirsizliğin 7,0’dan 12,9 pikokelvin’e kadar uzandığını belirtiyor. Serbest genişleme süresi (genişlemeyi takip edebildikleri süre) 7 saniyeydi; bu, düşme kulesi deneyindeki 2 saniyelik serbest genişleme süresinden veya Uluslararası Uzay İstasyonundaki 1 saniyelik serbest genişleme süresinden çok daha uzundu.

Sırada ne var?

Bu yeni rekor düşük sıcaklıklarda deneyler yapabilme ve daha uzun zaman dilimlerinde ölçümler yapabilme yeteneği, yeni fırsatların önünü açıyor. Ekip, ayarlanabilir hacimli tuzakların deneyler için mevcut atom sayısını da artırabileceğini söylüyor. Beklentiler arasında dikkatle şekillendirilmiş lazer alanları ve uzay tabanlı atom interferometreleri kullanılarak olağandışı kuantum durumlarına ilişkin çalışmalar yer alıyor.

Araştırmanın yazarları yeni sistemi güçlü bir araç olarak tanımlıyor. Şöyle yazıyorlar: “İlk olarak, uzayın benzersiz ortamında düşük sıcaklık fiziğini keşfetmek için kuantum simülasyonunu mümkün kılmayı amaçlıyor. Bu, tek boyutlu bozonik sistemlerde Tomonaga-Luttinger sıvı düzeninin bozunmasının araştırılması ve düzensiz potansiyellerdeki Bose-glass veya fraktal Mott fazlarının özelliklerinin araştırılması gibi egzotik kuantum fazlarının incelenmesini içeriyor.

“İkinci olası hedef, eşdeğerlik ilkesi gibi temel ilkelerin hassas testlerini gerçekleştirme potansiyeline sahip, uzay tabanlı bir atom Mach-Zehnder interferometresinin inşasıdır.”