Maddenin esrarengiz beşinci hali olan ilk Bose-Einstein Yoğunlaşması, fizikçiler tarafından temel parçacık olarak nitelendirilemeyen ancak yine de yük ve spin gibi temel parçacık özelliklerine sahip olabilen nesneler olan kuasipartiküller kullanılarak üretildi. Kısa bir süre önce bunların Bose-Einstein yoğunlaşmasını gerçek parçacıklarla aynı şekilde deneyimleyebildikleri keşfedildi. Bu daha önce bilinmiyordu. Bu keşfin, kuantum hesaplama gibi kuantum teknolojilerinin nasıl gelişeceği üzerinde büyük bir etkisi olması bekleniyor.
Nature Communications dergisinde, mutlak sıfırdan sadece bir kıl payı uzaklıktaki sıcaklıklarda elde edilen maddenin üretim prosedürünü açıklayan bir rapor yayınlandı.
Bose-Einstein Yoğunlaşmaları, katılar, sıvılar, gazlar ve plazmalarla birlikte sıklıkla maddenin beşinci hali olarak anılır. Bose-Einstein yoğunlaşmaları ya da BEC’ler 20. yüzyılın başlarında teorik olarak öngörülmüş, ancak 1995 yılına kadar laboratuvarda üretilememiştir. Bunlar aynı zamanda belki de maddenin en tuhaf türüdür ve bilim hala bunları tam olarak anlamış değildir.
Bir atom topluluğu mutlak sıfır derecesinin milyarda birine kadar soğutulduğunda BEC’ler meydana gelir. Tipik olarak rubidyum atomlarından oluşan bir gaz, araştırmacılar tarafından mıknatıs tuzakları ve lazerler kullanılarak sürekli olarak soğutulur. Atomlar bu son derece düşük sıcaklıkta neredeyse hiç hareket etmezler ve oldukça garip davranmaya başlarlar.
Kabaca bir lazerdeki uyumlu fotonlara benzeyen benzer bir kuantum durumuna girerler ve tek, ayırt edilemez bir süper atomla aynı alanı kaplayarak bir araya gelmeye başlarlar. Atom grubu neredeyse tek bir parçacık gibi davranır.
BEC’ler hala birçok temel araştırmanın odağı olmasına ve yoğun madde sistemlerini simüle etmek için kullanılmasına rağmen, teorik olarak kuantum bilgi işlemede kullanılabilirler. Ancak bunların hepsi aynı kuantum durumunda olan kübitlere ya da kuantum bitlerine dayanır.
BEC’lerin çoğunluğu yaygın atomların seyreltilmiş gazlarından yapılır. Ancak, alışılmadık atomlardan oluşan bir BEC daha önce hiç gerçekleştirilmemiştir.
Egzotik atomlar, bir proton veya elektronun aynı yüke sahip farklı bir atom altı parçacıkla değiştirildiği atomlardır. Örneğin pozitronyum, bir elektron ve elektronun pozitif yüklü anti-parçacığı olan pozitrondan oluşan nadir bir atomdur.
Eksitonlar Nedir?
Bunun bir başka örneği de eksitondur. Bir yarı iletkene çarpan ışığın enerjisi, elektronların bir atomun değerlik seviyesinden iletim seviyesine geçmesi için yeterlidir. Bu uyarılmış elektronların yarattığı serbest akan elektrik akımı, ışık enerjisini etkin bir şekilde elektrik enerjisine dönüştürür. Negatif yüklü elektron bu sıçramayı yaptıktan sonra geride kalan delik, pozitif yüklü bir parçacık olarak kabul edilebilir. Pozitif delik ve negatif elektron birbirlerine doğru çekilir ve bağlanırlar.
Bu elektron deliği çifti, elektriksel olarak nötr bir kuasipartikül olan bir eksitonu oluşturur. Kuasipartikül, standart modelin 17 temel parçacığından biri olmayan, ancak yine de temel parçacıkların karakteristiği olan yük ve spin gibi özelliklere sahip parçacık benzeri bir nesnedir. Eksiton kuasipartikülü esasen tek pozitif protonu yerine bir pozitif deliği olan bir hidrojen atomu olduğundan, egzotik bir atom olarak da adlandırılabilir.
İki tür eksiton vardır: elektronun spininin deliğinkine paralel olduğu ortoeksitonlar ve elektronun spininin deliğinkine anti-paralel olduğu paraeksitonlar (paralel ama diğer yönde).
Elektron deliği plazması ve hatta eksiton sıvı damlacıkları gibi maddenin diğer fazları elektron deliği sistemleri kullanılarak üretilmiştir. Çalışmanın amacı eksitonlardan bir BEC oluşturulup oluşturulamayacağını belirlemekti.
“1962’de teorik olarak ortaya atıldığından beri, üç boyutlu bir yarı iletkende bir eksiton yoğuşmasının doğrudan gözlemlenmesi hevesle aranmıştır. Tokyo Üniversitesi’nden fizikçi ve araştırmanın eş yazarı Makoto Kuwata-Gonokami, “Kuasipartiküllerin Bose-Einstein yoğunlaşmasını gerçek parçacıklarla aynı şekilde deneyimleyip deneyimleyemeyeceği bilinmiyordu. Düşük sıcaklık fiziğinin kutsal kâsesi de diyebiliriz.
Bakır ve oksijenin bir karışımı olan bakır oksitte ( Cu2O ) üretilen paraeksitonlar, uzun ömürleri nedeniyle bir yığın yarı iletkende eksiton BEC’leri üretmek için en umut verici olasılıklardan biri olarak görülüyordu. 1990’larda, yaklaşık 2 K sıvı helyum sıcaklıklarında paraeksiton BEC üretme girişimleri yapılmış, ancak eksitonlardan bir BEC üretmek için çok daha düşük sıcaklıklar gerektiğinden başarısız olmuşlardır.
Çok geçici oldukları için ortoeksitonlar bu kadar düşük bir sıcaklığa ulaşamazlar. Bununla birlikte, deneylerden paraeksitonların birkaç yüz nanosaniyenin üzerinde çok uzun bir ömre sahip olduğu bilinmektedir, bu da onları bir BEC için gerekli sıcaklığa soğutmak için yeterlidir.
Ekip, iki helyum izotopunu birleştirerek soğutan ve kuantum bilgisayarlar geliştirmeye çalışan bilim insanları tarafından sıklıkla kullanılan kriyojenik bir cihaz olan seyreltme buzdolabını kullanarak paraeksitonları Cu2O nun büyük bir kısmında 400 milikelvinin altında hapsetti.
Ardından, eksiton BEC’yi gerçek uzayda doğrudan görüntülemek için kızılötesi aralığın ortasındaki ışığı kullanan bir tür mikroskopi olan orta kızılötesi indüklenmiş emilim görüntülemeyi kullandılar. Sonuç olarak ekip, eksiton yoğunluğu ve sıcaklığının hassas ölçümlerini elde edebildi ve bu da eksiton BEC ile geleneksel atomik BEC arasındaki farklılıkları ve benzerlikleri belirlemelerine olanak sağladı.
Ekibin bir sonraki görevi, eksiton BEC’in yığın yarı iletkende nasıl ortaya çıktığının dinamiklerinin yanı sıra eksiton BEC kolektif uyarımlarının dinamiklerini incelemek olacak. Eksiton BEC’lerden oluşan bir sistem etrafında bir platform oluşturmak nihai hedefleridir. Bu, yüksek oranda bağlantılı kübitlerin kuantum mekaniğini daha iyi anlamalarını ve sistemin kuantum özelliklerine daha fazla ışık tutmalarını sağlayacaktır.
Kaynak: Phys.org
