Uzay İstasyonundaki Ultrasoğuk Kabarcıklarla Kuantum Araştırması

NASA’nın Soğuk Atom Laboratuvarı’nda üretilen baloncuklar, maddenin egzotik hali ile deney yapmak için yeni fırsatlar sunuyor. NASA’nın Apollo programı günlerinden bu yana, astronotlar sıvıların mikro yerçekiminde Dünya’dakinden nasıl farklı davrandıklarını tartıştılar alttan ağır damlacıklar yerine yüzen küreler oluşturdular.  Şimdi, araştırmacılar bu etkiyi çok daha egzotik bir malzemeyle kanıtladılar: gaz, maddenin ulaşabileceği en düşük sıcaklığa (eksi 459 derece Fahrenheit veya eksi 273 santigrat derece), neredeyse mutlak sıfıra yakın soğutuldu. Uzay İstasyonundaki Ultrasoğuk Kabarcıklarla Kuantum Araştırması fizikçilere yeni sonuçlar sunmaktadır.

Şimdi yapılan araştırmaların detaylarını verelim. Uzay İstasyonundaki ilk kuantum fiziği tesisi olan NASA’nın Soğuk Atom Laboratuvarı’nı kullanarak, mutlak sıfırın bir milyonda birine kadar soğutulmuş atom örneklerini aldı ve onları son derece ince, içi boş küreler haline getirdi.

Soğuk gaz, yumurta sarısına benzer, küçük, yuvarlak bir damla olarak başlar ve ince bir yumurta kabuğuna benzeyen bir şeye yontulur.

Dünya’da da benzer girişimler başarısız olmaktadır. Atomlar aşağı yönlü hareket edecekleri için şekil olarak bir balondan ziyade kontakt lense daha yakın bir şey oluşturuyor.

Nature dergisinde 18 Mayıs Çarşamba günü çevrimiçi yayınlanan yeni bir makalede açıklanan başarı, yalnızca uzay istasyonunun mikro yerçekimi ortamında mümkündür.

Ultrasoğuk kabarcıklar sonunda daha da egzotik bir malzemeyle yeni deney türlerinde kullanılabilir: gazlardan, sıvılardan, katılardan ve plazmalardan (BEC) farklı bir maddenin beşinci hali olan Bose-Einstein yoğuşması diyebiliriz.

Bir BEC’de bilim adamları, atomların kuantum özelliklerini çıplak gözle görülebilen bir ölçekte gözlemleyebilirler. Örneğin, atomlar ve parçacıklar bazen katı nesneler gibi davranırlar ve bazen de dalgalar gibi davranırlar – “dalga-parçacık ikiliği” adı verilen bir kuantum özelliği diyoruz.

Bu görev için astronot yardımına gerek yoktur. Ultrasoğuk kabarcıklar, Cold Atom Lab’ın sıkıca kapatılmış vakum odasının içinde, gazı manyetik alanlarla farklı şekillerde nazikçe manipüle ederek oluşturulur.

Ve kabaca bir mini buzdolabı büyüklüğündeki laboratuvar, JPL’den uzaktan kontrol ediliyor.

En büyük kabarcıklar yaklaşık bir milimetre çapında ve bir mikron kalınlığındadır (milimetrenin binde biri veya 0.00004 inç).

O kadar ince ve seyreltikler ki binlerce atomdan oluşuyorlar.

Dünya havasının bir milimetre küpü yaklaşık bir milyar trilyon molekül içerir.

Yeni makalenin baş yazarı ve NASA’nın Jet Propulsion Laboratuvarı’nın Güney Kaliforniya’daki Soğuk Atom Laboratuvarı bilim ekibinin bir üyesi olan David Aveline, “Bunlar sizin ortalama sabun köpüğünüz değil” dedi. “Doğada Cold Atom Lab’de üretilen atomik gazlar kadar soğuyan hiçbir şey yoktur.”

Bu yüzden, türünün tek örneği olan bu gazla başlıyoruz ve temelde farklı geometrilerde şekillendirildiğinde nasıl davrandığını araştırıyoruz.

Ve tarihsel olarak, bir malzeme bu şekilde manipüle edildiğinde çok ilginç fizik ve yeni uygulamalar ortaya çıkabilir.”

Malzemeleri anlamak, onları çeşitli fiziksel koşullara maruz bırakmayı gerektirir. Aynı zamanda, bu materyaller için pratik uygulamaları keşfetmeye yönelik ilk adımdır.

Bilim adamları, uzay istasyonunda Soğuk Atom Laboratuvarı’nı kullanarak, genellikle sıvıların hareketini ve davranışını etkileyen baskın kuvvet olan yerçekiminin etkilerini ortadan kaldırabilirler.

Bunu yaparak, bilim adamları, bir sıvının yüzey gerilimi veya viskozitesi gibi işteki diğer faktörleri daha iyi anlayabilirler.

Ultrasoğuk baloncukları oluşturduktan sonra bilim insanları, baloncukları oluşturan ultrasoğuk gazı BEC durumuna geçirecek ve nasıl davrandığını gözlemleyecekler.

Bates College Fizik profesörü Nathan Lundblad, “Bazı teorik çalışmalar, BEC durumundaki bu baloncuklardan biriyle çalışırsak, kuantum malzemesinde girdaplar – temelde küçük girdaplar – oluşturabileceğimizi gösteriyor” dedi.

“Bu, BEC özelliklerini daha iyi anlamamıza ve kuantum maddesinin doğası hakkında daha fazla fikir edinmemize yardımcı olabilecek bir fiziksel konfigürasyon örneği.”

Kuantum bilimi, transistörler ve lazerler gibi modern teknolojilerin gelişmesine katkıda bulunmuştur.

Dünya yörüngesindeki kuantum araştırmaları, uzay aracı navigasyon sistemlerinde ve Dünya’yı ve diğer güneş sistemi gövdelerini incelemek için sensörlerde gelişmelere yol açabilir.

Ultrasoğuk atom tesisleri, Dünya’da onlarca yıldır faaliyettedir; Bununla birlikte, uzayda yerçekimi azaldığından, araştırmacılar ultrasoğuk atomları ve BEC’leri yeni yollarla inceleyebilirler. Bu, araştırmacıların düzenli olarak daha düşük sıcaklıklara ulaşmalarına ve Dünya’da olabileceklerinden daha uzun süre fenomenleri gözlemlemelerine olanak tanır.

JPL’de Cold Atom Lab proje bilimcisi Jason Williams, “Cold Atom Lab ile birincil hedefimiz temel araştırmadır – maddenin kuantum doğasını keşfetmek için uzay istasyonunun benzersiz uzay ortamını kullanmak istiyoruz” dedi. “Ultrasoğuk atomları yeni geometrilerde çalışmak bunun mükemmel bir örneği.”

Kaynak: https://www.jpl.nasa.gov/