Bose-Einstein yoğunlaşmaları (BEC’ler), atomlar veya moleküller mutlak sıfırın (0 K) biraz üzerindeki aşırı düşük sıcaklıklara kadar soğutulduğunda ortaya çıkan maddenin büyüleyici halleridir. 2023 yılında Columbia Üniversitesi’ndeki fizikçiler ilk kez aşırı soğuk moleküllerden oluşan BEC’leri fark ettiler.
TU Wien ve Viyana Kuantum Bilimi ve Teknolojisi Merkezi’ndeki başka bir araştırma grubu, yaptıkları çalışmalara dayanarak yakın zamanda bu ultra soğuk dipolar moleküllerin davranışını araştırmak ve aynı zamanda kendilerini kendiliğinden yeni madde formları halinde organize edebilme olasılığını keşfetmek için yola çıktı. Bulguları, şu adreste yayınlandı: Fiziksel İnceleme Mektuplarıultra soğuk polar moleküllerde yeni ilişkili durumların ortaya çıkabileceğini öne sürüyor ve bu durumların gelecekteki deneylerde incelenebileceğini gösteriyor.
Makalenin ortak yazarı Matteo Ciardi, CEİD’a şöyle konuştu: “Ultra soğuk polar moleküllerin BEC’leri on yıllık bir hedefti ancak deneysel olarak ancak çok yakın zamanda gerçekleştirilebildi.”
“Başından beri amacımız, gerçekçi sistemler için doğru simülasyonlar gerçekleştirmek, diğer sayısal çalışmalar için gelecekteki referanslar olarak hizmet etmek ve deneyler için yararlı bir karşılaştırma yapmaktı. Simülasyonlarımızda doğrudan kullanabileceğimiz, gerçekçi bir deneysel potansiyeli tanımlayan analitik bir ifadenin henüz yayınlanmış olması da önemliydi.”
Başlangıçta Ciardi ve meslektaşları, harici bir tuzak (yani ışıktan yapılmış bir yapı) tarafından yerinde tutulan moleküller üzerinde çalışmayı planlıyorlardı. Ancak daha sonra moleküllerin kendilerini doğal olarak bir arada tutabilecekleri, kendine bağlı fazlar olarak bilinen durumları araştırmaya karar verdiler.
Makalenin ortak yazarı Tim Langen, “Çalışmamız, zayıf dipolar manyetik kuantum gazları üzerine daha önceki araştırmalarımız ve güçlü dipolar moleküler BEC’leri gerçekleştiren diğer iki grubun son buluşları tarafından motive edildi” dedi. “Bu gelişmeler heyecan verici yeni olasılıkların önünü açtı, ancak bu yeni rejimde ne tür yeni fiziksel olayların ortaya çıkabileceği belirsizliğini koruyor.”
Ciardi, Langen, Kasper Rønning Pedersen ve Thomas Pohl tarafından gerçekleştirilen bu yakın tarihli çalışmanın temel amacı, dipolar molekül fiziğinin yakında deneysel olarak incelenebilecek yeni yönlerini tanımlamaktı. Ek olarak, etkileşimlerin özellikle güçlü olduğu ultra soğuk moleküllerde bu özelliklerin nasıl ortaya çıkabileceğine ışık tutmak istediler.
Makalenin yazarlarından Kasper Rønning Pedersen, “İki yıl önce doktora programıma başladığımda, dipolar BEC sistemleri atomlarla çalışılmıştı ve polar moleküllerin ilk BEC’si henüz gerçekleştirilmemişti” dedi. “Büyük dipol momentlerine sahip atomlar ilginçtir çünkü süperakışkan damlacıklar ve süperakışkanlar gibi egzotik fazlar oluşturabilirler ve bazı kuantum etkileri dipol kuvvetiyle güçlendirilir.”
Atomlardaki dipol momentleri manyetiktir ve bu onların boyutlarını sınırlar. Buna karşılık, polar moleküller de elektrik dipollerine sahip olabilir ve boyutları atomların boyutundan önemli ölçüde daha büyük olabilir; bu da onların karmaşıklığını artırır ve maddenin yeni evrelerinin gözlemlenmesi için yeni olasılıklar açabilir.
Ciardi, “Ultra soğuk moleküllerle ilgili sorun, etkileşimlerin çok güçlü olması nedeniyle, genellikle ultra soğuk atomlar için kullanılan yaklaşık yöntemlerin güvenilmez hale gelmesidir” diye açıkladı.
“Böylece daha karmaşık tekniklere, özellikle de süperakışkan Helyum-4 gibi güçlü korelasyona sahip bozonlar için tahminler yapmak üzere geliştirilen Path Integral Monte Carlo’ya yöneldik. Yöntem kapsamlı hesaplama kaynakları gerektiriyor ve parçacık sayısıyla sınırlı.
“Neyse ki, ultra soğuk polar moleküllerin BEC’leri yaklaşık 500-1500 parçacığa sahiptir; bu da simülasyonların erişebileceği bir mesafededir (özellikle ultra soğuk atom deneylerinde genellikle yer alan ~ 100.000 parçacıkla tezat oluşturuyor). “
Path Integral Monte Carlo, araştırmacıların ultra soğuk polar moleküllerin BEC’lerini güvenilir bir şekilde simüle etmelerine olanak tanırken, gerçekleştirdikleri simülasyonlar hala hesaplama açısından ağırdı. Bunları gerçekleştirmek için gelişmiş bilgi işlem sistemlerini kullanmak zorundaydılar ve o zaman bile tek bir simülasyon çalışması birkaç güne kadar sürdü.
Pedersen, “Dipol fizik topluluğu, atomlar için iyi çalışan ortalama alan denklemlerine dayalı yöntemler geliştirdi” dedi.
“Uzun mesafelerde baskın olan dipol-dipol etkileşimine ek olarak, atomlar çok yaklaştıklarında birbirlerini bilardo topları gibi iterler. Moleküllerin etkileşim şekli birçok benzerlik gösterir, ancak itici ‘duvar’ daha büyük mesafelerde çalışır, bu da moleküllerin birbirine atomlar kadar yaklaşmadığı anlamına gelir. Bu çalışma için hesaplama açısından ağır kuantum Monte Carlo yöntemini kullanmamızın nedenlerinden biri de budur.”
Araştırmacılar tarafından gerçekleştirilen simülasyonlar, aşırı soğuk polar moleküllerin herhangi bir dış sınırlama gerektirmeden güçlü bir şekilde ilişkili fazlar oluşturabildiğini gösterdi. Özellikle, tek moleküllü kristallerde bu kendine bağlı fazların ortaya çıkışının ipucunu verdiler.
Ciardi, “Kullandığımız parametreler gerçekçi olduğundan (ve son aylarda yapılan daha yeni deneyler, faz diyagramının bu bölgelerine yaklaşmaya başladığından), bu aşamaların yakında deneylerde gerçekleştirilebileceğine dair güçlü bir çıkarım var” dedi.
Araştırmacılar, ultra soğuk polar moleküllerin, daha önceki çalışmaların öngördüğünden daha düşük etkileşim kuvvetlerinde kendine bağlı kuantum damlacıkları oluşturabildiğini buldu. Bu damlacıklar daha sonra süperakışkan zarlara, sürtünmesiz iki boyutlu (2D) katmanlara ve ardından hapsedilmeye gerek kalmadan birbirine bağlı kalan kristalin tek katmana dönüşebilir.
Langen, “Sonuçlarımız, güçlü bir şekilde ilişkili yeni madde durumlarının gerçekten var olabileceğini ve gerçekçi deneysel koşullar altında aşırı soğuk moleküler sistemlerde incelenebileceğini gösteriyor” diye ekledi.
“Bu özellikle heyecan verici çünkü iki dünya arasında köprü kuruyor; daha önce manyetik Bose-Einstein yoğunlaşmalarında keşfedilen süper katı fazlar ve onlarca yıldır anlaşılması zor olan helyum sistemlerinin uzun süredir aranan fiziği.”
Bu son çalışma, ultra soğuk dipolar moleküllerle yapılacak gelecekteki deneylere bilgi verebilir ve bu da simülasyonlarında ortaya çıkan maddenin yeni durumlarının gözlemlenmesine yol açabilir. Bu arada araştırmacılar, deneysel olarak incelenebilecek diğer aşamaları ortaya çıkarma umuduyla analizlerine devam etmeyi planlıyor.
Ciardi, “Bu makalede incelenen dipolar etkileşimler zaten çok ilginç özellikler gösteriyor, ancak bunlar yalnızca deneylerde kullanılabilen ve kullanılabilecek çok daha geniş bir potansiyel aralığının spesifik bir durumudur” dedi. “Bu nedenle kısa vadeli hedefimiz, analizi daha fazla potansiyele genişletmek ve deneylerde başka hangi aşamaların beklenebileceğini bulmaktır.”
Ciardi sonraki çalışmalarında özellikle ultra soğuk polar moleküllerin diğer kristal fazlarını karakterize etmeyi umuyor. Deneysel fizikçi olan Langen ise şimdilerde meslektaşlarıyla birlikte simüle edilen durumların laboratuvar ortamında gerçekleştirilmesi için çalışıyor.
Langen, “Bu durumları, molekülleri lazerle ultra soğuk sıcaklıklara soğutarak gerçekleştirmeye çalışıyoruz” dedi. “Devam eden bu çaba, teorik tahminlerimizi hayata geçirmemize ve bunların özelliklerini doğrudan incelememize olanak tanıyacak.”
Pedersen, “Polar moleküllerle ilgili harika bir şey, onların etkileşim şeklini kontrol edebilmemiz ve değiştirebilmemizdir” diye ekledi. “Bu, örneğin elektronların doğa tarafından sabitlenen ve verilen etkileşim şeklinin tersidir. Makalede incelemeyi seçtiğimiz etkileşim birçok olasılıktan sadece bir tanesidir, yani keşfedilecek çok daha fazla şey var.”
Araştırmacılar çalışmalarının yakında maddenin yeni kuantum evrelerinin keşfine katkıda bulunacağını umuyorlar. Şimdi yeni önerilen deneysel platformlarına dayanacak ek çalışmalar planlıyorlar.
Araştırma projesini yöneten Thomas Pohl, “Örneğin, aynı anda süperakışkan özelliklere sahip egzotik, güçlü bir şekilde ilişkili kristalin fazlar, 50 yıldan fazla bir süre önce tahmin edilmişti ancak doğada henüz bulunamadı” dedi. “Bu kadar geniş çapta ayarlanabilir etkileşimlere sahip ultra soğuk moleküler kristalleri göstermemiz, bunun yakın gelecekte mümkün olabileceğini gösteriyor.”
Sizin için yazarımız Ingrid Fadelli tarafından yazılan, Gaby Clark tarafından düzenlenen ve Robert Egan tarafından gerçekleri kontrol edilen ve gözden geçirilen bu makale, insanların dikkatli çalışmasının sonucudur. Bağımsız bilim gazeteciliğini canlı tutmak için sizin gibi okuyuculara güveniyoruz. Bu raporlama sizin için önemliyse lütfen bağış yapmayı düşünün (özellikle aylık). Bir alacaksın reklamsız bir teşekkür olarak hesaplayın.
