Çin'in Tiangong istasyonunda atom bulutu rekor düşük sıcaklığa soğutuldu

Yörüngede çalışan Çin'in Tiangong istasyonunda yapılan bir deney, laboratuvar ortamında elde edilmiş en düşük sıcaklık değerini yeniledi. Araştırmacılar yaklaşık 20 bin rubidyum atomundan oluşan bir bulutu, mutlak sıfıra hiç olmadığı kadar yaklaştırdı. Sonuç, 2021'de kaydedilen 38 pikokelvinlik önceki rekorun dört kat altında kaldı.

Deney nasıl yürütüldü?

Ekip önce lazerlerle atomların hareketini yavaşlattı. Ardından buharlaştırmalı soğutmaya geçti. Bu yöntemde en hareketli atomlar bulutu terk eder, geride kalanlar ise daha serin bir topluluk oluşturur. Atomlar, kesişen lazer ışınlarının yarattığı bir tuzakta tutuldu. Bu düzenek manyetik alanlara bağlı olmadığı için atomların spin özelliğine müdahale etmiyor.

Yörüngede bir Bose-Einstein yoğuşması elde edilmesi tek başına yeni değil. İlk örnek 2020'de Uluslararası Uzay İstasyonu'nda gözlenmişti. Tiangong ekibini öne çıkaran, sonraki adımdı. Daha enerjili atomları ayıklamak için hafif bir manyetik alan gradyanı uygulandı. Geriye kalan yavaş atomlar daha geniş bir tuzağa taşındı ve serbest bırakıldı. İki ayrı açıdan alınan görüntüler, bulutun sıcaklığının 7,0 ile 12,9 pikokelvin arasında bir yerde olduğuna işaret etti.

Bu rakamın klasik anlamda bir termometre okuması olmadığını vurgulamak gerekiyor. Değer, bulutun serbest kaldıktan sonra ne kadar hızla yayıldığından hesaplanan bir kestirim. Yine de yavaş yayılma, fizikçilere tam yedi saniye boyunca kesintisiz izleme olanağı verdi. Yeryüzünde bu süreye ulaşmak neredeyse imkânsız.

Arka plan

Mutlak sıfıra yaklaşma çabası onlarca yıldır fiziğin temel uğraşlarından biri. Haziran 1995'te ABD'de bir ekip, rubidyumu mutlak sıfırın 20 milyarda biri kadar üzerine soğutarak Bose-Einstein yoğuşmasını ilk kez gösterdi. Bu halde çok sayıda atom aynı kuantum durumunu paylaşır ve tek bir madde dalgası gibi davranır. Normalde yalnızca tek parçacıklarda gözlenen kuantum etkileri böylece büyük ölçekte incelenebilir hale gelir.

Sonraki yıllarda rekorlar peş peşe geldi. 2003'te MIT öncülüğündeki bir grup, manyetik tuzakla sodyumu 450 pikokelvine kadar indirdi. Ancak manyetik tuzaklar atomların spinini etkilediği için ölçümlerde bir kısıt doğuruyordu. 2021'de Almanya'daki Bremen Üniversitesi, bir serbest düşüş kulesinde yerçekimini kısa süreliğine ortadan kaldırarak 38 pikokelvine ulaştı. Kulenin sunduğu süre ise çok kısa. Yörünge, bu sınırı aşan bir ortam sağlıyor, çünkü atomlar uzun süre düşmeden süzülebiliyor.

Neden önemli?

Soğuk atom bulutları, madde dalgası interferometrelerinin hammaddesi. Bu cihazlar bir atom bulutunu ikiye böler, sonra yeniden birleştirir ve oluşan girişim desenini okur. Bulut ne kadar soğuk ve gözlem süresi ne kadar uzunsa, ölçüm o kadar hassas olur. Yedi saniyelik pencere ve pikokelvin düzeyindeki sıcaklık bu açıdan ciddi bir avantaj.

Böyle aletlerle farklı atom türlerinin aynı biçimde düşüp düşmediği sınanabilir. Eşdeğerlik ilkesi olarak bilinen bu fikir, genel görelilik kuramının temel taşlarından biri. Küçük bir sapma bile bulunsa fiziğin anlayışını değiştirecek bir ipucu olurdu. Deney henüz böyle bir sonuç vermiş değil, ama hedef yönünde bir altyapı sunuyor.

Sınır neresi?

Mutlak sıfıra tam olarak ulaşmak matematiksel olarak mümkün değil. Her yeni rekor, ona biraz daha yaklaşmak anlamına geliyor. Araştırmacılar için asıl mesele, rakamın kendisinden çok bu serinliğin sağladığı kuantum gözlem imkânı. Uzay istasyonları da bu tür deneylerin kalıcı laboratuvarları haline geliyor ve maddenin neredeyse durağan hale geldiği rejimde evrenin kuantum yapısına dair yeni sorulara kapı aralıyor.