Japonya’nın Kyoto şehrinde bulunan bir laboratuvarda, araştırmacılar çok soğuk deneyler yürütüyor. Kyoto Üniversitesi ve Rice Üniversitesinde çalışan bir grup bilim insanı, maddeyi mutlak sıfırın milyarda bir derece kadar üstüne çıkararak bütün evrendeki en soğuk maddeyi oluşturmuşlar. Mutlak sıfır noktası, bütün hareketin durduğu bir sıcaklık.
Bugün Nature Physics bülteninde yayımlanan çalışma, Rice Üniversitesine göre “keşfedilmemiş kuantum manyetizma diyarına kapı aralıyor.” Rice Üniversitesinde çalışan ve Rice Kuantum Girişimi’nin üyesi olan makale eş yazarı Profesör Kaden Hazzard, “Uzaylı bir medeniyet böyle deneyler yapmadığı sürece, bu deney Kyoto Üniversitesinde ne zaman yürütülse evrendeki en soğuk fermiyonlar oluşuyor” diyor. “Fermiyonlar nadir parçacıklar değil. Elektron gibi şeyleri de kapsayan fermiyonlar, bütün maddeleri oluşturan iki tip parçacıktan biri.”
Makalenin eş yazarı Yoşiro Takahaşi’nin öncülüğünde Kyoto Üniversitesinde çalışan araştırma takımı, iterbiyum atomlarının fermiyonlarını* mutlak sıfırın milyarda birine kadar soğutmak için lazerlerden faydalanmış. Bu miktar, uzaydaki yıldızlararası ortamdan yaklaşık 3 milyar kat daha soğuk. Uzayın bu bölgeleri halen, 13,7 milyar yıl önce gerçekleşen Büyük Patlama’nın art ışımasıyla (kozmik mikrodalga arka plan ışıması) ısınıyor. Evrenin bilinen en soğuk bölgesi, mutlak sıfırın bir derece üstündeki sıcaklığıyla Dünya’dan yaklaşık 3.000 ışık yılı uzakta bulunan Bumerang Bulutsusu. (* Kuantum dönü rakamları 1/2 veya 3/2 gibi tuhaf bir sayıya karşılık gelen fermiyonlar proton, nötron ve elektron gibi parçacıklardan oluşuyor).
Tıpkı elektronlar ve fotonlar gibi atomlar da kuantum dinamiklerinin kanunlarına tabi. Fakat atomların kuantum davranışları, mutlak sıfırın yalnızca belli bir kısmına kadar soğutulduklarında fark edilebiliyor. Ultra soğuk atomların kuantum özelliklerinin incelenmesi için atomlar 25 yıldan uzun bir süredir lazerler yardımıyla soğutuluyor.
“Böylesine düşük sıcaklıklara ulaştığımızda, fizik kanunları ciddi bir değişime uğruyor” diyor Hazzard. “Fizik kanunları kuantum mekaniğine doğru kaymaya başlıyor ve yeni olgular görüyorsunuz.”
Bu deneyde, optik bir kafesin içerisinde yer alan 300.000 iterbiyum atomunun hareketi lazerler yardımıyla durdurularak maddenin soğuması sağlanmış. Deneyde, ilk defa kuramsal fizikçi John Hubbard’ın 1963 yılında kuantum fiziğiyle ilgili olarak öne sürdüğü Hubbard modeli canlandırılmış. Fizikçiler Hubbard modellerini kullanarak, malzemelerin manyetik ve süperiletken özelliklerini inceliyor; özellikle de elektronlar arasındaki etkileşimlerin ortak hareket meydana getirdiği özellikleri…
Model, atomların olağan dışı kuantum özelliklerini sergilemelerini sağlıyor. Bu özellikler arasında elektronlar arasındaki ortak davranışlar (bir futbol maçında “dalga” hareketi yapan seyirciler gibi) ve bir cismin enerji kaybetmeden elektrik iletme kabiliyeti olan süperiletkenlik de bulunuyor.
“Kuramımızın sağladığı önemli şeylerden biri de Kyoto’da kullandıkları termometre” diyor Hazzard. “Bilim insanlarının yaptıkları ölçümleri kendi hesaplamalarımızla karşılaştırarak, sıcaklığı belirleyebiliyoruz. Rekor nitelikteki bu sıcaklık, sistemin çok yüksek simetrisiyle ilişkili yeni, eğlenceli fizik olayları sayesinde ulaşıldı.”
Kyoto’da canlandırılan Hubbard modeli, SU(N) şeklinde bilinen özel bir simetriye sahip. SU özel birimsel grup anlamına gelirken (simetriyi tarif etmenin matematiksel bir yolu), N ise modeldeki parçacıkların olası dönüş durumlarını ifade ediyor. N’nin değeri ne kadar yüksek olursa, modelin simetrisi ve tarif ettiği manyetik davranışların karmaşıklığı da o kadar büyük oluyor. İterbiyum atomlarının dört olası dönüş durumları bulunuyor. Bilgisayarda hesaplamanın imkansız olduğu bir SU(6) Hubbard modelindeki manyetik ilişkiler, ilk defa Kyoto simülatörüyle ortaya çıkarılmış.
“Deneyi yürütmenin asıl sebebi bu” diyor Hazzard. “Çünkü SU(N) Hubbard modelinin fiziğini öğrenmek için ölüyoruz.”
Hazzard’ın araştırma grubunda yüksek lisans öğrencisi olan makale eş yazarı Eduardo Ibarra Garcia Padilla, Hubbard modelinin katı maddelerin neden metal, yalıtkan, mıknatıs veya süperiletken haline geldiğini anlama doğrultusunda en temel bileşenleri yakalamayı hedeflediğini söylüyor. “Deneylerde araştırılabilecek büyüleyici sorulardan birisi de, simetrinin rolü” diyor Padilla. “Bunu bir laboratuvarda yapabilme kabiliyetine ulaşmak olağanüstü bir durum. Eğer bunu anlayabilirsek, yeni ve istenen özelliklerdeki gerçek maddeleri nasıl oluşturacağımızı öğrenebiliriz.”
Araştırma takımı, şu an mutlak sıfırın milyarda bir derece üstüne çıkılmasıyla ortaya çıkan bu davranışı ölçebilen ilk araçları geliştirmeye çalışıyor.
“Bu sistemler oldukça egzotik ve özel” diyor Hazzard. “Fakat bunları inceleyip anlayarak, gerçek maddelerde bulunması gereken kilit bileşenleri belirleyebiliriz.”
Yazar: Laura Baisas/Popular Science. Çeviren: Ozan Zaloğlu.
