Çin’in uzay istasyonunda 9,7 pK’lik atom bulutu ölçüldü

Çin Uzay İstasyonu Tiangong’da yürütülen deneyde, rubidyum atomlarından oluşan bir bulutun genişleme hızı mutlak sıfırın 9,7 trilyonda biri derece üzerindeki sıcaklığa karşılık geldi. Sonuç, uzayda atom bulutlarının soğutulması ve ölçülmesi açısından yeni bir eşik oluşturuyor. Ancak bu değer, istasyonun ya da deney düzeneğinin 9,7 pikokelvine (pK) kadar soğutulduğu anlamına gelmiyor. Ölçüm, atomların hareketinden hesaplanan eşdeğer sıcaklığı ifade ediyor.

Çin Bilimler Akademisi (CAS) tarafından paylaşılan bilgilere göre araştırmacılar, atom bulutunu serbest bıraktıktan sonra yedi saniye boyunca izledi. Science dergisinde yayımlanan çalışmanın özetinde deneyde yaklaşık 20 bin rubidyum-87 atomunun kullanıldığı belirtiliyor. Atomların hareket enerjisini bu ölçüde azaltmak, kuantum fiziğinin temel süreçlerini incelemek için araştırmacılara daha elverişli bir ortam sunuyor.

Rekorun arkasında mikrogravite var

Deneyin uzayda yapılmasının temel nedeni, yerçekiminin atom bulutunun davranışını değiştirmesi. Dünya’da serbest bırakılan atomlar aşağı doğru düşerken bulutu uzun süre gözlemlemek zorlaşıyor. Uzay istasyonundaki mikrogravite koşulları ise atomların daha yavaş ve daha uzun süre genişlemesine imkân tanıyor. Böylece araştırmacılar, yerde kısa sürede kaybolabilecek ölçüm fırsatını daha uzun bir zaman aralığına taşıyabiliyor.

CAS’ın aktardığı değerlendirmede, uzayda elde edilen yedi saniyelik serbest genişlemenin Dünya’da yaklaşık 250 metrelik bir düşüşe denk geleceği belirtiliyor. Bu karşılaştırma, mikrogravitenin deney için neden kritik olduğunu gösteriyor: Yerde aynı süre boyunca atom bulutunu takip etmek, onu düşüş sırasında kontrol altında tutmayı gerektirirdi. Uzayda ise araştırmacılar daha zayıf bağlama koşullarını kullanabiliyor ve atomların doğal hareketini daha uzun süre inceleyebiliyor.

Çalışmanın hedefi yalnızca düşük bir sıcaklık değeri kaydetmek değil. Bose-Einstein yoğuşması ve kuantum gazları gibi olguları daha ayrıntılı araştırmak için uzun gözlem süreleri gerekiyor. Atomların hareketi yavaşladıkça kuantum davranışlarını ölçmek kolaylaşabiliyor; yerçekiminin etkisinin azalması da bu tür deneylerin kapsamını genişletiyor.

Tiangong’daki laboratuvar nasıl çalışıyor?

Deney, istasyonun Mengtian laboratuvar modülündeki Cold Atom Physics Rack (CAPR) adlı tesiste gerçekleştirildi. Tesis, Çin’in uzayda soğuk atom araştırmaları için geliştirdiği bir altyapı. Mengtian ile 2022’de uzaya gönderilen sistemin geliştirme projesi ise 2011’de değerlendirmeye alınmıştı.

CAPR, yerde kullanılan benzer sistemlere kıyasla daha küçük ve hafif olacak biçimde tasarlandı. Kaynakta verilen karşılaştırmaya göre yaklaşık 20 metreküp hacim ve 10 ton ağırlığındaki yer sistemi, uzay kullanımı için yaklaşık 0,7 metreküp hacme ve 0,5 ton ağırlığa indirildi. Bu küçültme, hassas atom fiziği deneylerini yörüngede yürütmenin mühendislik gereksinimlerini de ortaya koyuyor.

Deneyde tüm-optik tuzak, buharlaştırmalı soğutma ve adyabatik olmayan genişleme yöntemleri kullanıldı. Mikrogravitede buharlaştırmalı soğutmanın verimliliği düştüğü için ekip, sürece manyetik gradyan desteği ekledi. Araştırmada Peking University, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics ve CAS’a bağlı Technology and Engineering Center for Space Utilization’dan bilim insanları yer aldı.

Sonuç neden önemli?

9,7 pK değeri, günlük hayatta karşılaşılan bir soğutma teknolojisine ya da yakında kullanılabilecek bir ürüne işaret etmiyor. Buradaki kazanım, kuantum gazlarının uzay ortamında daha uzun süre gözlemlenebilmesi ve ölçüm koşullarının iyileştirilmesi. Bu tür çalışmalar, maddenin çok düşük sıcaklıklardaki davranışını anlamaya yönelik temel fizik araştırmalarını destekliyor.

Sonuç aynı zamanda uzay istasyonlarının yalnızca Dünya gözlemi veya insanlı görevler için değil, hassas laboratuvar deneyleri için de kullanılabildiğini gösteriyor. Mikrogravite, yere bağlı deneylerde aşılması güç olan bazı sınırlamaları azaltıyor. Araştırmacılar için daha uzun ölçüm süresi sağlanması, kuantum gazları üzerinde yapılabilecek deneylerin niteliğini ve kapsamını etkileyebilir. Science’ta yayımlanan çalışma, bu yaklaşımın Tiangong’daki özel bir tesisle uygulanabildiğini ortaya koyuyor.