Tiangong’da atomlar 7 pikokelvine kadar soğutuldu

Çin’in Tiangong uzay istasyonunda gerçekleştirilen deneyde yaklaşık 20 bin rubidyum atomundan oluşan bulut, 7,0 ile 12,9 pikokelvin arasında ölçülen sıcaklıklara kadar soğutuldu. Araştırmacıların bildirdiği değerler, 2021’de kaydedilen 38 pikokelvinlik önceki düşük sıcaklık rekorunun altında. Deney, atomları mutlak sıfıra yaklaştırmanın yanı sıra yörüngedeki düşük yerçekimi ortamının kuantum araştırmalarına sağlayabileceği gözlem süresini de ortaya koyuyor.

Mutlak sıfıra ulaşmak fiziksel olarak mümkün kabul edilmiyor. Bununla birlikte atomların hareketi yavaşladıkça, bilim insanları onların kuantum özelliklerini incelemek için daha elverişli koşullar elde ediyor. Tiangong’daki ekip, oluşturduğu atom bulutunu yaklaşık yedi saniye boyunca gözlemleyebildi. Yeryüzünde yerçekiminin etkisiyle deney örnekleri daha hızlı dağılabildiğinden, yörüngede elde edilen bu süre araştırmacılara ek inceleme fırsatı sunuyor.

Lazerlerle soğutulan atomlar nasıl incelendi?

Deney düzeneğinde atomları hapsetmek için kesişen lazer ışınlarının oluşturduğu optik dipol tuzağı kullanıldı. Bu yöntem, atomları manyetik alanlarla tutan düzeneklerden farklı olarak spin özelliklerini aynı biçimde etkilemiyor. Araştırmacılar önce lazerlerle atomları yavaşlattı. Ardından daha hızlı atomların ortamdan ayrılmasına dayanan buharlaştırmalı soğutma sürecini uyguladı.

İlk aşamada Bose-Einstein yoğuşması oluşturuldu. Bu durumda yeterince soğutulan atomlar, birbirinden bağımsız parçacıklar gibi davranmak yerine ortak bir kuantum durumunu paylaşabiliyor. Böylece kuantum fiziğine özgü etkiler, tek bir atom yerine daha büyük bir topluluk üzerinde araştırılabiliyor.

Uzayda Bose-Einstein yoğuşması elde edilmesi Tiangong’la başlayan bir başarı değil; daha önce Uluslararası Uzay İstasyonu’nda da benzer bir yoğuşma oluşturulmuştu. Tiangong deneyinin öne çıkan yanı, yoğuşma aşamasından sonra atom bulutunu daha da soğutmaya yönelik işlemler oldu.

Ekip, hafif bir manyetik alan gradyanından yararlanarak hızlı atomları ayırdı. Geriye kalan yavaş atomlar daha geniş bir optik tuzağa aktarıldı ve ardından tuzak serbest bırakıldı. Araştırmacılar, bulutun zaman içinde nasıl genleştiğini iki farklı açıdan görüntüleyerek sıcaklık aralığını hesapladı.

Daha uzun gözlem, kuantum deneylerine alan açıyor

Deneyde sıcaklık, klasik bir termometreyle doğrudan ölçülmedi. Bunun yerine atom bulutunun serbest bırakıldıktan sonra ne kadar yayıldığı incelendi. Çok düşük sıcaklıklarda genleşme yavaşladığından, atomların davranışını takip etmek için daha fazla zaman kazanılıyor. Tiangong’da sağlanan yaklaşık yedi saniyelik gözlem penceresi bu nedenle sonuçların yalnızca bir parçası değil, araştırma açısından da önemli bir imkân.

Düşük sıcaklıklar ve uzun gözlem süreleri, atom interferometresi gibi deneylerin geliştirilmesine yardımcı olabilir. Bu tür düzeneklerde madde dalgaları ayrılıp yeniden birleştirilir; atomların hareketindeki farklar hassas biçimde karşılaştırılır. Farklı atomların aynı koşullarda nasıl düştüğünü incelemek de genel görelilik kuramını sınamak için yeni deney yolları sağlayabilir.

Tiangong’daki çalışma, tek başına bu kuramları sınayan bir sonuç ortaya koymuyor. Ancak atomları daha uzun süre gözlemleyebilmek, gelecekte yapılacak hassas ölçümlerin önünü açabilecek deney koşullarını gösteriyor. Yörüngedeki düşük yerçekimi, atom bulutlarının davranışını incelemek için Dünya’dakinden farklı bir ortam sunuyor.

Atomları neredeyse hareketsiz hâle getirmek, kuantum olaylarını daha kontrollü biçimde araştırmayı mümkün kılıyor. Tiangong’da kullanılan lazer tabanlı düzenek ve elde edilen sıcaklık aralığı, uzay ortamının bu çalışmalara nasıl katkı sağlayabileceğine dair yeni veriler sunuyor. Araştırmanın öne çıkan kazanımı, çok düşük sıcaklıklara ulaşırken atom bulutunu incelemek için de saniyelerle ölçülen bir süre elde edilmesi.