'Sonsuza kadar' çalışabilecek bir atom lazeri yaratıldı

Michelle Starr

Yeni bir buluş, fizikçilerin, bir lazerle aynı şekilde davranan ve teorik olarak ‘sonsuza kadar’ varlığını koruyabilen bir atom ışını yaratmalarına imkân tanıdı. Bu haber, neticede teknolojinin pratik bir uygulama doğrultusunda ilerlediği anlamına gelse de hâlâ büyük kısıtlamalar söz konusu. Ne olursa olsun, bu, bir gün temel fiziksel sabitlerini test etmek ve hassas bir teknolojik mühendislik yürütmek için kullanılabilecek, tek bir dalga halinde ilerleyen atomlardan oluşan bir ışın olan ve ‘atom lazeri’ diye adlandırılan keşif açısından ileri doğru atılmış büyük bir adım.

Atom lazerleri henüz çok kısa bir süreden beridir hayatımızdalar. İlk atom lazeri, 1996 yılında Massachusettes Teknoloji Enstitüsü'nde (MIT) görevli fizikçilerden oluşan bir ekip tarafından yaratıldı. Fikir kulağa çok basitmiş gibi geliyor: Tıpkı geleneksel bir ışık tabanlı lazerin dalgalarıyla senkronize biçimde hareket eden fotonlardan meydana geldiği şekilde, bir ışın halinde dağılmadan önce atomlardan oluşan bir lazerin kendi dalga benzeri doğasının da senkronize edilmesi gerekir.

Bununla birlikte, bilim alanındaki birçok meselede olduğu gibi, bir şeyi kavramsallaştırmak gerçekleştirmekten daha kolaydır. Atom lazerinin kökeninde, ‘Bose-Einstein yoğunlaşması’ ya da kısaca ‘BEC’ adı verilen, maddenin hallerinden biri bulunur. BEC’ler, bir bozon bulutunun mutlak sıfırın yalnızca bir kısmına kadar soğutulmasıyla yaratılır. Bu denli düşük sıcaklıklarda, atomlar tamamen durmaksızın mümkün olan en düşük enerji durumuna ulaşırlar. Böylesi düşük enerjilere ulaştıklarında, parçacıkların kuantum özellikleri artık birbirine etki edemez; üst üste gelecek biçimde birbirlerine yaklaşırlar, bu durum bir ‘süper atom’ ya da madde dalgası gibi davranan yüksek yoğunluklu bir atom bulutuyla neticelenir.

FAZLASIYLA KIRILGAN VE KARARSIZ

Öte yandan, BEC’ler bir paradoksu andırırlar. Aşırı kırılgandırlar; yalnızca ışık bile bir BEC’i yok edebilir. Bir BEC’de bulunan atomların optik lazerler kullanılarak soğutulduğu göz önünde bulundurulduğunda, bu durum genellikle bir BEC’in mevcudiyetinin geçici olduğu anlamına gelir.

Bilim insanlarının şu ana dek yaratmayı başardıkları atom lazerleri, süreklilik gösteren bir türden ziyade kesintili türden olmuştu ve yeni bir BEC’nin üretimi gerçekleşmeden önce yalnızca darbe şeklindeki bir ateşlemeyi içermekteydi.

Hollanda’da bulunan Amsterdam Üniversitesi’nden bir araştırma ekibi, kesintisiz bir BEC oluşturmak için bir şeylerin değişmesi gerektiğinin farkına vardı. Fizikçi Florian Schreck, “Daha önceki deneylerde, atomların kademeli biçimde soğutulması işlemi tek bir yerde yapılıyordu. Bizim düzeneğimizde, soğutma aşamalarını zamana değil, mekâna yaymaya karar verdik: Ardışık soğutma adımlarında ilerlerken atomları hareket ettiriyoruz” diye izah ediyor: “En nihayetinde, aşırı sıcak atomlar, bir BEC’de tutarlı madde dalgaları yaratmak amacıyla kullanılabilecekleri deney merkezine ulaşır. Öte yandan, bu atomlar kullanılırken, yeni atomlar BEC’i beslemek için zaten yoldadır. İşte bu sayede, süreci esasen sonsuza dek sürdürebiliriz.”

SÜREKLİ ÜRETİM İMKÂNI MEVCUT

Bu ‘deneyin merkezi’, BEC’i ışıktan koruyan bir kapandır ve deney sürdürüldüğü müddetçe aralıksız olarak doldurulabilen bir depodur. Diğer yandan, BEC’i, onu soğutan lazerin ürettiği ışıktan korumak teoride basit olsa da pratikte yine biraz daha güçtü. Yalnızca teknik engeller değil, bürokratik ve idari engeller de söz konusuydu.

Araştırmaya öncülük eden fizikçi Chun-Chia Chen, “2013 yılında Amsterdam’a taşınırken, bir inanç sıçraması, ödünç alınan fonlar, boş bir oda ve tam olarak kişisel hibelerle finanse edilen bir ekiple işe başladık” diyor: “Altı yıl geçtikten sonra, 2019 yılında Noel sabahının erken saatlerinde, deney en sonunda gerçekleştirilmenin eşiğine gelmişti. Son bir teknik sorunu ortadan kaldırmak amacıyla fazladan bir lazer ışını ekleme fikrimiz vardı ve çektiğimiz anlık görüntüler ilk kesintisiz dalga BEC olan bir sonucu ortaya koydu.”

Nihayet kesintisiz atom lazerin ilk adımı olan ‘sürekli atom’ kısmı gerçekleştirildiğine göre, sonraki adımda, ekibin kararlı bir atom ışınını korumaya çalıştığını aktarıyor. Bunu, atomları yakalanmamış bir duruma aktararak ve bu sayede yayılan bir madde dalgası yaratarak başarabileceklerdi.

GÖRELİLİK VE KUANTUM İLİŞKİSİNİ AÇIĞA ÇIKARABİLİR

BEC’ler bağlamında rağbet gören bir tercih olan stronsiyum atomlarını kullandıkları için, araştırmalarının heyecan verici fırsatlar yarattığını dile getiriyorlar. Mesela, stronsiyum BEC’leri kullanan atom interferometrisi, görelilik ve kuantum mekaniği araştırmaları gerçekleştirmek ya da kütleçekimsel dalgaları saptamak amacıyla kullanılabilir.

Araştırmacılar, yayınladıkları makalede, “Yaptığımız deney, tamamen yansıtıcı boşluklu aynalar içeren kesintisiz dalgalı bir optik lazerin madde dalgası benzeridir” diye belirtiyorlar: “Bu ‘ilke kanıtı’ gösterimi, kesintisiz kararlı madde dalgası aletlerinin inşa edilmesini sağlayacak ve şu ana dek eksik olan yeni bir atom optiği parçası sağlıyor.”

Araştırma, Nature dergisinde yayınlandı.

Yazının orijinali Science Alert sitesinden alınmıştır. (Çeviren: Tarkan Tufan)