Uzayda ilk kez iki farklı kuantum gazı türü bir arada bulunacak ve etkileşime girecek. Bu çalışmalar Uluslararası Uzay İstasyonu’nda gerçekleştirileceğinden, yerçekimi araştırmacıların few body physics, kuantum kimyası ve temel fizik çalışmalarını engellemeyecek, çünkü bu gazlar arasındaki rezonans etkileşimlerine erişebilecekler.
Maddenin kuantum yapısını incelemek ve çağdaş fiziğin altında yatan ilkeleri araştırmak için özel bir araç, ultra soğuk atom gazları tarafından sunulmaktadır. NASA’nın Soğuk Atom Laboratuvarı’ndaki (CAL) bilim insanları uzayda ilk kez, Bose-Einstein yoğunlaşması (BEC) olarak bilinen maddenin çok kuantum (dalga benzeri) bir aşamasında aynı anda iki atom türünden (rubidyum ve potasyum) oluşan gazları başarıyla yarattılar. CAL araştırmacıları, eşi benzeri görülmemiş düşük sıcaklıklarda, serbest düşüşte uzun süreler boyunca ve özellikle de yerçekiminin rahatsız edici kuvvetinin yokluğunda bir arada bulunan bu çift tür gazlardaki etkileşimleri, molekül oluşumunu ve yapı ve karmaşıklığın ortaya çıkışını incelemek için Uluslararası Uzay İstasyonu’ndaki benzersiz mikro yerçekimi ortamını kullanmaktadır.
Deneysel kuantum fiziğinin beygiri olarak ultra soğuk atomların günümüzdeki kullanımı, makroskopik kuantum özellikleri gösteren egzotik bir beşinci madde durumunun deneysel olarak gerçekleştirilmesiyle ateşlenmiştir. Eric Cornell ve Carl Wieman’dan oluşan Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA) ekibi, Bose-Einstein yoğuşması (BEC) olarak adlandırılan bu durumu ilk olarak 1995 yılında tanımlamıştır. Bu keşifleri nedeniyle 2001 yılında Nobel Fizik Ödülünü MIT’den Wolfgang Ketterle ile paylaşmışlardır. JILA ekibi rubidyum atomlarından oluşan bir gazı birkaç yüz nanoKelvine, yani mutlak sıfırın bir derece üzerinde küçük bir fraksiyona kadar soğutarak bir BEC oluşturdu. Daha sonra termal maddeden kuantum maddeye faz geçişini gazın ortasında gelişen yüksek yoğunluklu bir tepe olarak gözlemlediler.
Dönen girdapların ve süper akışkan davranışların incelenmesinden maddenin dalga benzeri doğasının doğrudan gözlemlenmesine ve ultra hassas kuantum sensörlerin ve atomik saatlerin geliştirilmesine kadar, bilim insanları bu keşif sonucunda birçok faydalı keşif ve bilimsel ilerleme kaydetmiştir. Bir BEC oluşturmak için soğutulabilen ekstra atomik türlerin çeşitliliği, bu sektördeki gelişmeleri büyük ölçüde hızlandırmıştır. Özellikle, çeşitli atomik türlerin kuantum gazlarını eşzamanlı olarak yaratma ve birlikte konumlandırma kapasitesi, rezonans etkileşimli gazların incelenmesine ve karmaşıklığın temelde büyümesine olanak sağlamıştır.
Uzayda ultra soğuk atomların incelenmesi için dünyadaki ilk çok kullanıcılı tesis olan Soğuk Atom Laboratuvarı, Mayıs 2018’de Uluslararası Uzay İstasyonu’na kuruldu. CAL bilim insanlarından oluşan uluslararası bir ekip, kuantum gazlarını soğutmak ve kontrol etmek, kabarcık geometrilerindeki ultra soğuk gazların fiziğini araştırmak, kuantum gazlarının bir saniyelik serbest düşüşteki dinamiklerini ölçmek ve tek bir atom türü olan rubidyum kullanarak madde-dalga girişimini göstermek için uzay istasyonunun özel mikro yerçekimi ortamında ilk üç yıllık çalışma süresi boyunca her gün BEC’ler üretti ve inceledi.
CAL uzayda ilk kez iki atom türünün (rubidyum ve potasyum) BEC’lerini eş zamanlı olarak oluşturdu. Bu proje, astronot Megan McArthur’un 2021 yılında önemli bir mikrodalga frekans sürücüsünü yörüngede onarıp değiştirmesiyle mümkün oldu ve bu da potasyumun CAL’de son derece düşük sıcaklıklarda sentezlenmesini sağladı. CAL’deki bilim insanları, bu başarılı onarımdan bu yana gazları eşzamanlı olarak BEC durumuna soğutmak için stratejilere odaklanıyor. Potasyumun hemen buharlaşan ultra soğuk rubidyum gazı ile termal temas yoluyla “sempatik soğutulması” sayesinde çift tür BEC mümkün hale geldi. Bu yöntemi kullanarak, uçan alette kullanılmak üzere rubidyum-87 ve potasyum-39 ya da rubidyum-87 ve potasyum-41 kombinasyonlarını tutarlı bir şekilde oluşturmak mümkündür.
Uluslararası Uzay İstasyonu’ndaki az cisim fiziği araştırmaları için CAL’ın Baş Araştırmacısı olan Washington Eyalet Üniversitesi’nden Profesör Peter Engels, CAL’ın ultra soğuk potasyum bulutlarını deneyler için erişilebilir hale getirmedeki son başarısının ileriye doğru atılmış önemli bir adım olduğunu belirtti. Potasyum atomlarının atomdan atoma etkileşimlerini istediğimiz gibi değiştirebiliyoruz. CAL’ın son başarısı, few body physicne yönelik temel araştırmalardan kuantum cihazlarının kavramsal gösterimlerine ve göreve özel taktiklerin oluşturulmasına kadar geniş bir yelpazede yeni araştırma fırsatları yaratacaktır.
CAL şu anda uzayda çeşitli atom türlerinin araştırılmasına olanak sağlayan tek kuantum gazı deneyidir. Şu anda ultra soğuk moleküller, maddenin egzotik halleri geliştirmek ve Einstein’ın eşdeğerlik ilkesinin kuantum madde ile yüksek hassasiyetli testlerine izin vermek için deneyler planlanmaktadır. Bu testler, uzayda üretilen kuantum gazlarının spektrumunun genişletilmesiyle mümkün olacaktır.
CAL Baş Araştırmacısı olan ve yörüngede çift tür atom interferometrisi üzerine çalışan Rochester Üniversitesi’nden Profesör Nicholas Bigelow, “Olasılıklar inanılmaz” dedi. Artık en temel fizik hipotezlerinden bazılarını test edebilirken, Dünya’daki araştırmalar da dahil olmak üzere gezegensel keşif ve navigasyon için son teknoloji yeni kuantum teknolojileri geliştirmeye de yaklaşabiliriz.
kaynak: science.nasa.gov/
