Son 25 yılda gerçekleşen Dünyamızı Değiştirebilecek Fizik Keşifleri yazı dizisinde ikinci yazımız Bose-Einstein Yoğunlaşması’nın teoriden gerçeğe olan dönüşümü üzerine. Özetle, teoride Bose-Einstein yoğunlaşması bozonları içeren bir maddenin sıcaklığının çok düşük seviyelere soğutulmasının ardından ortaya maddenin yeni bir hâli çıkması beklenir. Bu madde ise makroskopik olarak kuantum etkileri gösterdiği tahmin edilmekteydi.
1995 yılında Dünya’nın ilk Bose-Einstein yoğunlaşmasının oluşturulması atom fiziğinin dönüşüm geçirmesini sağladı.
Ultrasoğuk Rubidyum atomlarından bir atom bulutu yoğunluğu bir Bose-Einstein yoğunlaşması oluşturur. Mavi ve beyaz pikler Bose-Einstein yoğunlaşmasını göstermektedir. Bu yaklaşık 10 mikrometreye karşılık gelen birkaç yüz atomdan oluşan bir atom bulutuna denk gelmektedir. Photo: NIST/Science Library
Ders kitaplarında bilimsel keşiflerin nasıl yapılması gerektiğine dair yer alan bilgileri hatırlayalım, vizyon sahibi teorikçiler muntazam ve hassas tahminlerde bulunurlar ve sonra belirli bir zaman ve bir yerde yetenekli deneyciler tarafından bu tahminler onaylanır. Bilim nadir olsa da böyle çalışır. Henüz 1995 yılında ilk defa Bose-Einstein yoğunlaşmasının ultra soğuk atomlardan oluşturulması böyle bir mükemmel düzene yaklaşır. Daha da önemlisi, bu tümüyle maddenin yeni formunun -bu madde formunda parçacıklar onların en düşük kuantum durumunda birbirleri ile kilitlidirler- oluşturulması fizik araştırmalarında yepyeni bir alanın önünü açtı.
Bose-Einstein yoğunlaşması düşüncesi bizi 1924 yılına geri götürür. Hindistanlı teorikçi Satyendra Nath Bose özdeş parçacıklardan oluşan bir gaz gibi davranan fotonlar için Planck’ın karacisim ışıması yasasını türettiğinde Bose, bu çalışmalarını Albert Einstein’e gönderdi. Albert Einstein, Bose’un bu teorisini atomlardan oluşan bir ideal gaza genelleştirdi ve teorik çalışmalarla tahminlerde bulundu. Eğer atomlar yeterince soğuk olurlarsa onların dalgaboylarının çok büyük ve onların dalgafonksiyonlarının da üst üste geleceğini öne sürdü. Bu atomlar aslında kendi özdeşliklerini bir makroskopik kuantum durumu veya süperatom oluşturarak kaybedeceklerdi. İşte bu öngörülerdeki süperatom veya makroskopik kuantum durumu bir Bose-Einstein yoğunlaşmasıdır.
Uzun yıllar boyunca, Bose-Einstein yoğunlaşması fikri teoride kalmış olsa da 1980’lerde gelişmekte olan ultradüşük sıcaklıklara atomların soğutulması için laser soğutma tekniklerine bakarak Bose-Einstein yoğunlaşması sadece bir olasılık olarak görünüyordu.
Çok sayıda grup bu teknolojik gelişmeler sayesinde bir Bose-Einstein yoğunlaşmasını deneysel olarak uygulayabilmek için bir yarışın içinde kendilerini buldular. Ancak 5 Haziran 1995 Pazartesi günü, Colorado Üniversitesi ve ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’nden (NIST) bir grup araştırmacı JILA laboratuvarında dünyanın ilk Bose-Einstein yoğunlaşmasını oluşturdular. Bu araştırmacılar bir laser ve buharlaşmalı soğutucu kombinasyonunu kullanarak 170 nanoKelvin sıcaklığına sahip bir manyetik tuzakta 2000 tane Rubidyum-87 atomundan oluşan bir Bose-Einstein yoğunlaşması ürettiler. Birkaç ay içinde, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nden Wolfgang Ketterle 2 mikroKelvin sıcaklığındaki 500 bin Sodyum-23 atomundan bir Bose-Einstein yoğunlaşması yaptı. Her iki grubun tüm bu çabaları 2001 yılında Nobel Fizik Ödülü ile ödüllendirildi.
Dünya üzerindeki yüzlerce araştırma grubu oluşturdukları Bose-Einstein yoğunlaşmasını ışığı yavaşlatmaktan atom laserları yapmaya kadar her şeyde kullandılar hatta karadeliklerin davranışını modellemek için bile. Dahası, atomlar arasındaki etkileşmelerin çok iyi bir şekilde kontrol edilmesinde Bose-Einstein yoğunlaşmaları yoğun madde sistemlerin özelliklerinin simüle edilmesi/benzeştirilmesinde de kullanılabilir.
Fizikçilerin şimdiki amaçları aynı kuantum durumu normal olarak işgal edemeyen fermiyonlardan yoğunlaşmalı durumlar yapabilmek.
2010 yılında fizikçiler fotonlardan bir Bose-Einstein yoğunlaşması yaptılar. Fotonlar Bose’un kendisinin çalıştığı çok küçük parçacıklardır. İşte Bose-Einstein yoğunlaşmasının hikayesi öyle görünüyor ki başa geldi tıpkı bir dairenin tamamlanması gibi.
Dünyamızı değiştirebilecek fizik keşifleri yazı dizisinde sonraki yazımız “süpernovaların sırları” ile görüşmek üzere…
Gökhan Atmaca, MSc. twitter.com/kuarkatmaca | facebook.com/anadoluca
Nanoölçek Aygıtlar ve Taşıyıcı İletimi Grubu
Kuark Moleküler NanoBilim Araştırma Grubu
Kaynak:
Matin Durrani, Unlocking a new state of matter, Physics World, October 2013.
Yazı dizisinde,
Önceki yazı: Kuantum Işınlanma
Sonraki yazı: Süpernovaların Sırları
