Araştırmacılar, hassas bir şekilde kalibre edilmiş mikrodalga ışınları kullanarak moleküller arasındaki çarpışmaları sınırlandırarak sodyum sezyum moleküllerini 6 nK’ya düşürüyor. Tam sayı spine sahip parçacıkların hepsi nanokelvin rejimine kadar soğutulmuş bir gazda aynı temel duruma yerleşebilir. Bunu izleyen Bose-Einstein yoğunlaşması ya da BEC, süperakışkanlık ve süperiletkenlik de dahil olmak üzere kuantum fenomenleri için bol miktarda deneysel ortam olduğunu göstermiştir.
Rydberg ve kutupsal atomların BEC’leri fizikçilere ultra soğuk sistemlerde manyetizmaya dair bakış açıları sağlamış olsa da, ikincilerin yaşam süreleri sınırlıdır ve birincilerin kutupsal temasları zayıftır. Araştırmaların amacı, dipolar molekülleri bir BEC içinde bir araya getirmek olmuştur. Böyle bir BEC mükemmel bir kuantum simülatörü olacaktır.
Örneğin optik bir kafes içindeki atomlar kullanılarak simüle edilebilir, ancak önemli ölçüde daha güçlü dipol etkileşimlerine sahip moleküller benzersiz fizik de sergileyebilir. Durham Üniversitesi’nden Jeremy Hutson, dipolar parçacıklardan oluşan kafesler yaratabilirseniz, kuantum manyetizma ve diğer şeylerle ilgili maddenin her türlü yeni özelliğinin ortaya çıkacağını savunuyor.
Ancak bilim insanları dipolar molekülleri soğutmaya çalışırken bir sorunla karşılaştılar: molekülleri çok hızlı bir şekilde kaybettiler. Moleküller çarpışır ve molekülleri optik tuzaktan dışarı itmek için yeterli kinetik enerjiyi açığa çıkaran kimyasal bir reaksiyona girer. Kayıplar, bilim insanlarının bir BEC oluşturmak için yeterince dipolar molekülü soğutmasını ve hapsetmesini imkansız hale getirdi.
Rice Üniversitesi’nden Kaden Hazzard’a göre, “son birkaç yılda gerçekten değişen şey, insanların temelde kayıpları kapatmanın yollarını bulmuş olmalarıdır.”
İlk BEC, Sebastian Will yönetimindeki bir Columbia Üniversitesi ekibi tarafından dipolar moleküllerden üretildi. Nature dergisinde 3 Haziran’da açıklanan BEC, 6 nK’ya kadar soğutulmuş güçlü dipol bozonik parçacıklar olan sodyum sezyum moleküllerinden oluşuyor. Uzun menzilli dipol etkileşimlerinin sürdürülmesi halinde sistem, süper katılar gibi kuantum maddenin olağandışı durumlarına açılan bir pencere işlevi görebilir.
2008 yılında Deborah Jin, Jun Ye ve Colorado, Boulder’daki JILA’daki meslektaşları, potasyum rubidyumu 350 nK’ye kadar başarıyla soğutarak ilk ultra soğuk kutup gazını yarattılar.
Enerjik parçacıkların uçup gitmesine izin veren ve yalnızca en düşük enerjili parçacıkları tutan optik cımbızlarla buharlaştırıcı soğutma gerçekleştirdiler.
Ancak, Jin ve Ye tarafından bir BEC oluşturmak için çok fazla KRb molekülü kaybediliyordu. Moleküller, K2 ve Rb2 üretmek üzere tepkimeye girdiklerinde cımbızdan fırlıyor gibi görünüyordu. Alman Max Planck Kuantum Optik Enstitüsü’nde kuantum çok cisimli sistemler bölüm başkanı Immanuel Bloch, “İnsanlar sadece sodyum potasyum gibi reaktif olmayan moleküllere geçmemiz gerektiğine ve her şeyin yoluna gireceğine inanıyordu” diyor. Ancak bunun yanlış olduğu ortaya çıktı. Araştırma ekiplerinin denediği bileşiklerden bağımsız olarak kayıp oranı nispeten sabit kaldı.
Bilim insanları, gazı krep şekline sokmak gibi çok sayıda girişimde bulunmalarına rağmen, devam eden kayıplar nedeniyle dipolar moleküler bir BEC üretemediler. 2018 yılında, Hollanda’daki Radboud Üniversitesi’nden Hutson ve Tijs Karman, kayıpları durdurmak için yeni bir fikir sundu: mikrodalga alanları dipolar molekülleri hizalı tutabilir ve iki cisim etkileşimlerinin çoğunu maskeleyebilir. Başarılı ilk testlerin ardından Bloch ve meslektaşları 2022’de fermiyonik molekül NaK’yı 21 nK’ya kadar soğuttu ki bu da moleküllerin en düşük enerji seviyelerinde bulunduğu nokta olan Fermi sıcaklığının kabaca üçte birine denk geliyor.
Columbia araştırmacıları, NaC’lerde minimum kayıp sağlamak için olağanüstü tutarlı bir mikrodalga alanı gerektiren ısmarlama bir anten oluşturdular. İki cisim kayıplarının oranını yaklaşık 200 kat azaltan ve moleküller arasındaki kısa menzilli itmeyi artıran dairesel polarize bir alan üretti. Ancak, iki cisim kayıpları sorunu çözüldükten sonra, üç cisim kayıpları ortaya çıktı. Mikrodalga alanının neden olduğu moleküller arasındaki uzun menzilli çekim, moleküller kısa vadede bu alan tarafından itilse de üç cisim çarpışmalarına neden olmuştur.
Will ve arkadaşları, dikey olarak polarize edilmiş bir alana sahip ek bir anten ekleyerek üç cisim kayıplarını yönetebileceklerini keşfettiler. Moleküller yeni yönelimleri ile uzun menzilli çekimlerini kaybetmişlerdir.
Columbia ekibi biraz çaba gösterdikten sonra yaklaşık 200 moleküllü ve 1,8 saniye ömürlü bir dipolar molekül yapısında BEC oluşturmayı başardı; şimdi molekül sayısını 1000’in üzerine çıkardılar. Buna karşılık, 1990’ların ortalarındaki ilk BEC yaklaşık 15 saniye sürmüş ve yaklaşık 2000 rubidyum-87 atomu içermiştir.
Will’e göre mikrodalga alanlarının yoğunluğunun değiştirilmesi ayrıca dipoller arasındaki etkileşimlerin yoğunluklarını düzenlemek için bir araç sağlamaktadır. Mikrodalga alanları başlangıçta kayıpları en aza indirecek ve dipol etkileşimlerini azaltacak şekilde ayarlanmıştır.
Ancak, Will ve arkadaşları daha sonra dipolar temasların yeniden aktif hale getirildiği ilk testleri gerçekleştirdiler – tipik yoğunluklarının kabaca %5’ine kadar. Bazı etkileşimlere izin vermek BEC’in ömrünü kısaltsa da Will, Columbia ekibinin şimdiden birkaç ilgi çekici sonuç gözlemlediğini belirtiyor. “BEC kendiliğinden damlacıklara ayrılıyor” diyor. “Bu tür kendi kendine örgütlenme yeni bir şey.” Bilim insanları, parçacıkların viskozite olmadan akabildiği ve yine de sert yapılar oluşturabildiği süper katı gibi daha da tuhaf madde durumlarını araştırıyorlar.
Bilim insanları gelecekte soğutulabilecek molekül çeşitliliğini artırmayı umuyor. Şu anda NaC’ler gibi dipolar moleküllerin bir araya getirilmesi için alkali veya alkali bileşenlerin lazerle milikelvin rejimine kadar soğutulması ve ardından bunların birleştirilmesi gerekiyor.
Moleküller daha sonra nanokelvin rejimine ulaşana kadar buharlaşmalı soğutmadan geçmezler. Elementler yerine molekülleri doğrudan lazerle soğutma yöntemleri geliştirilirse periyodik tablo deneylere daha sık dahil edilebilir.
Kaynak: physicstoday
