Lazerler, tutarlı ışık dalgaları üretir. Bu, bir lazerin içindeki tüm ışığın aynı anda titreştiği anlamına gelir. Bu arada kuantum mekaniği, atomlar gibi parçacıkların da dalga olarak kabul edilmesi gerektiğini bir yandan öne sürmektedir. Sonuç olarak, uyumlu madde dalgaları içeren “atom lazerleri” oluşturabiliriz fikri ortaya çıkmaktadır.
Ancak, bu madde dalgalarını uygulamalarda kullanılmak üzere yeterince uzun süre hayatta tutabilir miyiz? Bir grup Amsterdamlı fizikçi, bu hafta Nature’da yayınlanan bir çalışmada bu sorunun cevabının evet olduğunu gösteriyor.
Bozonların Senkronize Hareketleri
Bose-Einstein Yoğuşması veya kısaca BEC, atom lazerinin temelini oluşturan kavramdır. Fermiyonlar ve bozonlar, doğada bulunan iki tür temel parçacıktır. Fermiyonlar, maddenin yapı bileşenleri olan elektron ve kuark benzeri parçacıklardır. Bozonlar, fermiyonlar gibi sert olmayıp, birbirlerinden zorlanmadan geçmelerini sağlayan yumuşak olmaları bakımından fermiyonlardan farklıdır. Akla gelebilecek en küçük ışık miktarı olan foton, bir bozonun en iyi bilinen örneğidir. Bununla birlikte, madde parçacıkları birleşerek bozonlar oluşturabilir ve tüm atomlar hafif parçacıklara benzer şekilde davranabilir.
Bozonları diğer parçacıklardan ayıran şey, hepsinin aynı anda aynı durumda olabilmeleri veya başka bir deyişle, tutarlı bir dalgada “yoğunlaşabilmeleri”dir. Madde parçacıkları bu şekilde yoğunlaştığında, fizikçiler ortaya çıkan maddeye Bose-Einstein Yoğuşması adını verirler.
Günlük yaşamda bu yoğuşmalara hiç aşina değiliz. Bunun nedeni, atomların tek olarak işlev görmesinin son derece zor olmasıdır. Eşzamanlılığı yok olmasının sebebbi sıcaklık olmaktadır.
Bir madde ısındıkça, onu oluşturan parçacıklar etrafa sıçramaya başlar, bu da onların bir bütün olarak çalışmasını çok imkansız hale getirir.
Bir BEC’nin tutarlı madde dalgaları yalnızca aşırı düşük sıcaklıklarda, kabaca mutlak sıfırın üzerinde bir derecenin milyonda biri üzerinde (Santigrat ölçeğinde sıfırın yaklaşık 273 derece altında) oluşabilir.
İlk Bose-Einstein Kondensatları, çeyrek yüzyıl önce fizik laboratuvarlarında üretildi. Bu, atom lazerlerinin (madde ışınları yayan cihazlar) geliştirilmesine izin verdi, ancak bu cihazlar yalnızca kısa bir süre için çalışabilirdi. Lazerler madde dalgası darbeleri üretebilir, ancak her darbe bir sonraki gönderilmeden önce yeni bir BEC oluşturulmasını gerektiriyordu.
Bu, bir atom lazerine doğru ilk adım için hala fena değildi. Gerçekte, fizikçiler sürekli lazerler üretmeden önce, geleneksel optik lazerler de darbeli bir biçimde yapılmıştır. Bununla birlikte, optik lazerler hızlı bir şekilde ilerlerken, ilk sürekli lazer, darbeli muadilinden altı ay sonra ortaya çıktı, atom lazerlerinin sürekli versiyonu 25 yıldan fazla bir süre zor kaldı.
Sorun açıktı: BEC’ler son derece hassastır ve ışığa maruz kaldıklarında hızla yok oluyorlardı.
Bununla birlikte, kondensin oluşumunda ışığın varlığı kritik öneme sahiptir: bir maddeyi bir derecenin milyonda biri kadar soğutmak için, atomlarını soğutmak için lazer ışığı kullanılmalıdır.
Sonuç olarak, BEC’ler kısa patlamalarla sınırlıydı ve onları mantıklı bir şekilde sürdürme yeteneği yoktu.
Amsterdam Üniversitesi’nden bir fizikçi ekibi, sürekli bir Bose-Einstein Yoğuşması yaratmanın zor problemini çözmeyi başardı.
Takım lideri Florian Schreck, hilenin ne olduğunu açıklıyor. “Önceki deneylerde, atomların kademeli olarak soğutulması tek bir yerde yapıldı.
Kurulumumuzda soğutma adımlarını zamana değil uzaya yaymaya karar verdik. Ardışık soğutma adımlarından geçerken atomları hareket ettirebiliriz.
Sonunda, ultra soğuk atomlar, bir BEC’de tutarlı madde dalgaları oluşturmak için kullanılabilecekleri deneyin kalbine ulaşır.
Ancak bu atomlar kullanılırken, BEC’yi yenilemek için yeni atomlar zaten yolda. Bu şekilde süreci devam ettirebiliriz—esas olarak sonsuza kadar.”
Temel konsept kolay olsa da, onu eyleme geçirmek kolay değildi. Araştırmacı Chun-Chia Chen şöyle hatırlıyor: “Daha 2012 yılında, Innsbruck’taki ekip bir BEC’yi lazer soğutma ışığından izole eden ve tutarlılık için gerekli olan dejenere duruma kadar lazerle soğutmaya izin veren bir teknoloji gerçekleştirdi. Bu, uzun süredir devam eden bir sürekli atom lazeri oluşturma sorununu çözmede önemli bir ilk adım olsa da, daha fazla çalışmanın gerekli olacağı açıktı.
2013’te kişisel bağışlarla desteklenen bir proje yürütmeye başladık. Deney nihayet altı yıl sonra verilen emeklerin karşılığını verdi.
Son bir teknik sorunu gidermek için fazladan bir lazer ışını ekledik ve çektiğimiz her görüntü anında bir BEC, ilk sürekli dalga BEC’yi ortaya çıkardı.”
Sürekli bir Bose-Einstein Yoğuşması yaratmanın uzun süredir devam eden açık problemini ele alan araştırmacılar, şimdi bir sonraki hedefe karar verdiler.
Bu, kararlı bir madde çıkışı ışını oluşturmak için lazeri kullanmaktır.
Lazerleri yalnızca sonsuza kadar çalışmakla kalmayıp aynı zamanda kararlı ışınlar da üretebildiğinde, artık teknik uygulamaların önünde hiçbir şey duramaz.
Madde lazerleri, şu anda sıradan lazerlerin yaptığı gibi teknolojide eşit derecede önemli bir rol oynamaya başlayabilir.
Kaynak: physorg
