Pauli dışlama ilkesinin, ultra soğuk atom gazlarında oluşumu ilk kez üç bağımsız araştırma grubu tarafından tespit edilmiştir. Pauli blokajı olarak adlandırılan etki, ilk olarak 30 yıl önce fark edilmişti. Pauli dışlama ilkesi, bir kuantum gazındaki fermiyonik atomların kendilerine yakın kuantum durumlarına geçiş yapamadıkları zaman ortaya çıkar.
Üç farklı ekip tarafından yapılan bağımsız deneylerin tümünde, Pauli blokajı, atomların ışığı dağıtma yeteneğini azaltarak gazları daha şeffaf hale getirmesine denmektedir. Etkinin bir gün optik saatler ve kuantum tekrarlayıcılar gibi ultra soğuk atomlara dayalı teknolojileri geliştirmek için kullanılabileceği düşünülüyor. Bilim insanlarının yapmış olduğu çalışmalar insanlığı daha ileriye götürmek içindir.. Onlar bu dünyadan ayrılsa bile buldukları kuramlar dünya var oldukça insanlıkla beraber yaşayacaktır. Ölümsüz Fizikçilerden Wolfgang Pauli de bu bilim insanlarından biridir.
Wolfgang Pauli Kimdir?
Wolfgang Ernst Pauli (25 Nisan 1900, Viyana – 15 Aralık 1958, Zürih), Avusturya asıllı Nobel Fizik Ödülü sahibi İsviçreli teorik fizikçidir. Kuantum fiziğinin öncülerinden birisi olarak kabul edilir. 1945 yılında Pauli dışarlama ilkesi olarak adlandırılan yeni bir doğa yasasını keşfetmesi sonrasında Nobel Fizik Ödülü’ne aday olarak gösterilmiş ve ödülü kazanmıştır. Kendisi aynı zamanda 21 yaşındayken doktorasını alarak fizik alanındaki yeteneğini erken bir yaşta göstermiştir.
Wolfgang Pauli, 25 Nisan 1900’de Viyana’da doğdu. Viyana’daki gymnasiumdan mezun olduktan sonra 1918’de Münih Üniversitesi’ne gitti. 1921 yılında Arnold Sommerfeld’in gözetimi altında Matematik Bilimleri Ansiklopedisi için görelilik teorisi hakkında bir makale yazarak teorik fizik dalında doktora diplomasını kazandı.
Sonraki yılın kış dönemini Göttingen Üniversitesi’nde Max Born’un asistanı olarak geçirdi. Burada Niels Bohr ile tanıştı. Bir süre boyunca Hamburg Üniversitesi’nde Wilhelm Lenz’in asistanlığını yaptıktan sonra Bohr tarafından Kopenhag Üniversitesi’ne davet edildi. Buradayken Pauli’nin Zeeman etkisi hakkındaki ilgisi ve çalışmaları arttı ve 1924 yılında elektron gibi parçacıkların nasıl bir arada var olduğunu açıklayan Dışarlama İlkesi’ni formülize etmesiyle sonuçlandı. Bu çalışması sayesinde 1945 yılında Nobel Ödülü’nü kazandı.
Pauli Dışlama İlkesi
Yarı tamsayılı spinli parçacıklar, kuantum mekaniğindeki simetri değerlendirmelerinden kaynaklanan Fermi-Dirac istatistiklerine uymaktadır. Bu tür parçacıklara fermiyon denir. Bunlar, Pauli’nin fermiyonların bir sistemde aynı kuantum durumunu işgal edemeyeceğini söyleyen ünlü dışlama ilkesine uyarlar.
Elektronlar da fermiyonlardır. Pauli Dışlama İlkesine göre bir atomdaki her bir elektron orbitali en fazla iki elektron içerebilecektir. Biri yukarı yönlü diğeri aşağı yönlü olacak şekildedir.
Bu da bize periyodik tablodaki farklı atomların çeşitli özellikleri hakkında bilgiler vermektedir.
Pauli Dışlama İlkesi, yarı iletkenler ve yalıtkanlarda ki elektronlara uygulanan küçük elektrik alanlarda da ortaya çıkmaktadır. Uygulanan elektik alan elektronların başka bir kuantum durumuna geçmeyi gerektirmektedir. Ancak diğer yakın kuantum durumları doludur.
Dejenere Olmuş Gazlar
Fizikçiler bazı fermiyonik atomik gazları yeterince düşük sıcaklıklara kadar soğuttuklarında Fermi düzeyini tespit edebilmektedir. Bu tür yoğun, aşırı soğuk sistemlerin dejenere olduğu görülmektedir. Atomların bir katıdaki elektronlara benzer şekilde davranması da beklenmektedir.
Üç araştırma ekibi, atomları hareket ettirmek için harici bir alan uygulamak yerine, Fermi seviyesinde bulunan gazları fotonlar ile bombardıman ettiler. Normalde ışık bir atomik gaz üzerine gönderildiğinde bazı fotonlar atomlardan saçılır ve atomlar fotondan bir miktar enerji ve momentum alarak geri teper. Fizikçiler bunu “Fotoelektrik Etki” olarak da çok iyi bilmektedir.
Bununla birlikte, dejenere bir Fermi atom gazında, bu geri tepme genellikle başka bir atom tarafından işgal edilen yakındaki bir kuantum durumuna geçişi gerektirir. Sonuç olarak, saçılma gerçekleşemez ve foton gaz boyunca devam eder.
Bunun gözlemlenebilir etkisi, gazın dejenere olmaya başladığı nokta kadar soğutulduğunda gözlemlenmektedir. Bildirilen üç deneyde, gazlar mikrokelvin ve nanokelvin aralığındaki sıcaklıklara soğutulduğunda bu gözlemlendi.
ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü ile Colorado Üniversitesi’nin ortak bir enstitüsü araştırmacıları fotonların stronsiyum-87 atomlarından oluşan ultra soğuk gazlarından saçılma açılarına odaklandılar.
Fotonların yörüngelerinde küçük sapmalar yaşadığı ve atomik geri tepmelerin küçük olduğunu buldular. Bu, Pauli’nin yakındaki kuantum durumlarına küçük geçişler yapmasını engelleyen gazdaki atomlarla tutarlı idi.
Bununla birlikte, daha büyük atomik geri tepmeleri içeren foton saçılımı, bastırıldığı gibi değildi.
Bu, atomların Fermi seviyesinin üzerindeki boş durumlara geçişler yapabilmesiyle de tutarlı idi.
Yeni Zelanda’da Otago Üniversitesi bilim insanları potasyum-40 fermiyonik gazın optik özelliklerini rubidyum-87’den yapılmış bir gazınkiyle karşılaştırdı. Rubidyumun bu izotopu Bose-Einstein istatistiklerine uymaktadır ve bu nedenle Pauli engellemesine tabi değildir.
Ultra soğuk sıcaklıklara soğutulduğunda, potasyum-40 gazının şeffaflığı artarken rubidyum-87 gazının şeffaflığı artmadı.
Üçüncü grup, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’ne (MIT) ve Nobel ödüllü Wolfgang Ketterle’nin de içinde bulunduğu ekiptir.
Bu ekip, fermiyonik lityum-6 atomlarını Fermi seviyesinin altına soğuttu ve ayrıca şeffaflıkta bir artış gözlemledi. Bu ekip, numuneye yansıttıkları ışığın yoğunluğunu artırdıkça etkinin ortadan kalktığını kaydetti. Bunun ışığın saçılmasının numuneyi ısıtmasının sonucu olduğunu belirtiyorlar.
MIT ekibi ayrıca üç ekibin de şeffaflık gözlemleri için alternatif bir açıklama önerdi.
Işık, bir sıvıdaki yoğunluk dalgalanmalarından saçılabilir diyorlardı.
Bu dalgalanmalar ışığın dalga boyuyla yaklaşık olarak aynı boyuttaysa sıvı opak hale gelecektir.
Bu, askıya alınmış protein kümelerinin uygun yoğunluk dalgalanmalarının oluştuğu sütte meydana gelebilmektedir.
Ketterle ve meslektaşları, ultrasoğuk Fermi gazlarında yoğunluk dalgalanmaları eksikliğinin zaten gözlemlendiğine dikkat çekiyor. Bunun nedeni, Pauli dışlama ilkesinin atomların birbirine çok yaklaşmasını engellemesidir, bu da gazın yoğunluğunu çok homojen hale getirdiğini göstermektedir.
Araştırmacılar, yoğunluk dalgalanmalarının bu kıtlığının, düşük sıcaklıklarda şeffaflığın artmasını da açıklayabileceğini söylüyor. Ultra soğuk atomik gazlar, kuantum ağları için atomik saatler ve bileşenler dahil olmak üzere artan sayıda uygulamaya sahiptir.
Pauli Dışlama İlkesi mevcut teknolojileri iyileştirmek ve muhtemelen yeni uygulamalar geliştirmek için kullanılabilir sonucunu ortaya çıkarmaktadır.
Kaynak: Physics World
