Çinli araştırmacılar, Tiangong uzay istasyonunda yaklaşık 20 bin rubidyum atomunu mutlak sıfırın yalnızca 9,7 trilyonda biri kadar üzerine soğutarak yeni bir sıcaklık rekoruna ulaştı. Deneyde elde edilen 9,7 pikokelvinlik değer, 2021 yılında kaydedilen 38 pikokelvinlik önceki rekorun yaklaşık dörtte birine karşılık geliyor. Yeni yöntem, atomların kuantum davranışlarını incelemek için yedi saniyeye ulaşan kesintisiz bir gözlem süresi de sağlıyor.
Tiangong’da Atomlar Daha Önce Görülmemiş Bir Sıcaklığa İndirildi
Çin’in Tiangong uzay istasyonunda yürütülen deney, aşırı düşük sıcaklıklarda maddenin nasıl davrandığını araştıran fizikçiler açısından önemli bir aşama oluşturuyor. Araştırma ekibi, yaklaşık 20 bin rubidyum atomundan oluşan bulutu 9,7 pikokelvin seviyesine kadar soğuttu. Bir pikokelvin, kelvinin trilyonda birine karşılık geliyor. Deneyde ulaşılan sıcaklık, mutlak sıfırın üzerinde ölçülen en düşük değer olarak kayıtlara geçti.
Önceki rekor, 2021 yılında Almanya’daki Bremen Üniversitesi araştırmacılarının gerçekleştirdiği deneyde elde edilmişti. Ekip, serbest düşüş kulesinden yararlanarak yerçekiminin etkisini azalttı ve atom bulutunu 38 pikokelvine kadar soğutmayı başardı. Tiangong’daki yeni sonuç, bu değerin yaklaşık dört kat altında bir sıcaklığa ulaşıldığını gösteriyor.
Mutlak sıfır, fiziksel olarak ulaşılabilecek en düşük sıcaklık sınırını ifade ediyor. Bu noktada bir sistemin termal hareketi mümkün olan en düşük enerji seviyesine yaklaşıyor. Araştırmacılar mutlak sıfıra tam olarak ulaşamasa da atomları bu sınıra yaklaştırarak klasik fizik ölçümlerinin ötesinde kuantum olaylarını inceleyebiliyor.
Aşırı düşük sıcaklık araştırmalarının en önemli dönüm noktalarından biri, 1995 yılında Bose-Einstein yoğuşmasının laboratuvar ortamında elde edilmesi oldu. ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü ile Colorado Boulder Üniversitesi araştırmacıları, rubidyum atomlarını mutlak sıfıra çok yakın bir sıcaklığa indirerek bu özel madde hâlini oluşturdu. Yeterince soğuyan atomlar, ayrı parçacıklar gibi davranmak yerine aynı kuantum durumunu paylaşmaya başlıyor ve tek bir madde dalgası gibi hareket ediyor.
Bu özellik, bilim insanlarının normal koşullarda yalnızca tekil parçacıklar ölçeğinde gözlemleyebildiği kuantum olaylarını daha büyük atom grupları üzerinde incelemesine imkân tanıyor. Bose-Einstein yoğuşması, kuantum fiziği araştırmalarında hassas ölçümlerin ve yeni deney düzeneklerinin geliştirilmesi açısından önemli bir araç hâline geldi.
Araştırmacılar sonraki yıllarda daha düşük sıcaklıklara ulaşmak için farklı yöntemler denedi. MIT liderliğindeki bir ekip, 2003 yılında manyetik tuzak kullanarak sodyum atomlarını 450 pikokelvine kadar soğuttu. Ancak manyetik alanlar, atomların spin özelliklerini etkileyebildiği için deney düzeneklerinde bazı sınırlamalar ortaya çıktı. Bremen Üniversitesi’nin 2021’deki çalışması ise serbest düşüş ortamının sunduğu avantajları öne çıkardı.
Tiangong’daki deneyde araştırmacılar, atomları manyetik alanlardan daha az etkilenen optik dipol tuzağında tutmak için kesişen lazer ışınlarından yararlandı. Lazer soğutma ve buharlaştırmalı soğutma yöntemlerini bir araya getiren ekip, hızlı hareket eden atomların enerjisini azaltarak Bose-Einstein yoğuşması oluşturdu.
Araştırmacılar daha sonra atom bulutundaki hızlı parçacıkları ayırmak için hafif bir manyetik alan gradyanı kullandı. Geriye kalan daha yavaş atomları daha geniş bir optik tuzağa aktaran ekip, bulutun serbestçe genişlemesini sağladı. İki farklı açıdan alınan görüntüler, sıcaklığın 7,0 ile 12,9 pikokelvin arasında değiştiğini ortaya koydu. Araştırmada bildirilen 9,7 pikokelvinlik rekor değer, bu ölçümlerin değerlendirilmesiyle hesaplandı.
Uzay ortamının sağladığı düşük yerçekimi etkisi, atom bulutunun daha uzun süre serbestçe gözlemlenmesine katkı sağlıyor. Uluslararası Uzay İstasyonu’nda 2020 yılında ilk yörüngesel Bose-Einstein yoğuşması elde edilmişti. Tiangong’daki çalışma ise atom bulutunun daha ileri bir aşamada ayrıştırılması ve genişletilmesiyle farklı bir deneysel başarı ortaya koydu.
Araştırmada açıklanan sıcaklık değeri, doğrudan geleneksel bir termometreyle ölçülmedi. Bilim insanları, atom bulutunun genişleme enerjisinden yararlanarak sıcaklığı hesapladı. Bulutun son derece yavaş genişlemesi ise araştırmacılara kuantum davranışlarını kesintisiz incelemek için yaklaşık yedi saniyelik bir gözlem penceresi sundu.
Bu süre, atom interferometresi deneyleri açısından önem taşıyor. Atom interferometreleri, madde dalgalarını farklı kollara ayırıp yeniden birleştirerek son derece hassas ölçümler gerçekleştiriyor. Bilim insanları bu sistemlerle farklı atomların yerçekimi altında aynı şekilde hareket edip etmediğini test edebiliyor. Böylece genel görelilik kuramının sınanması ve yerçekimi alanındaki küçük değişimlerin ölçülmesi için yeni deneyler geliştirilebiliyor.
Tiangong’da elde edilen düşük sıcaklık ve uzatılmış gözlem süresi, kuantum sensörleri ile hassas ölçüm teknolojilerinin geliştirilmesine de katkı sağlayabilir. Araştırmanın asıl önemi yalnızca sıcaklık rekorundan değil, atomların kuantum özelliklerini incelemek için daha kontrollü bir deney ortamı sunmasından kaynaklanıyor. Mutlak sıfıra ulaşmak fizik yasaları gereği mümkün olmasa da yeni çalışma, bilim insanlarının bu sınıra ne kadar yaklaşabildiğini gösteren önemli bir sonuç ortaya koyuyor.
