Maddenin Sıradışı Bir Hâli: Bose-Einstein Yoğuşuk Maddesi

Maddenin bulunabileceği beş durumdan en ilginci Bose-Einstein yoğuşuk madde durumu olsa gerek. Gazlar, sıvılar, katılar ve plazmalar yıllardan beri inceleniyor ama Bose-Einstein yoğuşuk maddeleri 1990..
Görsel Telif: Jan Klaers, University of Bonn

Maddenin bulunabileceği beş durumdan en ilginci Bose-Einstein yoğuşuk madde durumu olsa gerek. Gazlar, sıvılar, katılar ve plazmalar yıllardan beri inceleniyor ama Bose-Einstein yoğuşuk maddeleri 1990’lara kadar laboratuvarda üretilemiyordu.

Bir grup atom mutlak sıfıra çok yakın bir sıcaklığa kadar soğutulduğunda, Bose-Einstein yoğuşuk madde haline geçerler. Atomlar o kadar soğurlar ki, birbirlerine göre neredeyse hiç hareket etmiyor gibidirler. Bunu yapacak serbest enerjileri neredeyse hiç kalmamıştır. O noktada atomlar kümelenerek, aynı enerji durumlarına girmeye başlar. Fiziksel bakış açısından özdeş bir duruma gelirler ve grubun bütünü sanki tek bir atommuş gibi davranmaya başlar.

Bir Bose-Einstein yoğuşuk maddesi oluşturmak için homojen dağılmış gaz bulutu ile işe başlanır. Deneylerin çoğu rubidyum atomları ile başlar. Bulut, atomların enerjisini alması için gönderilen ışınlar kullanılarak, lazer ile soğutulur. Daha sonra onları biraz daha soğutmak için bilimciler buharlaştırıcı soğutma kullanır. New York Eyalet Üniversitesi’nin Buffalo Kampüsü’nde çalışan fizik profesörü Xuedong Hu şöyle anlatıyor: “Bose-Einstein yoğuşuk maddesi üzerinde çalışırken, kinetik enerjinin potansiyel enerjiden daha büyük olduğu düzensiz bir durum ile başlarsınız. Onu soğutursunuz, ama katılar gibi bir örgü oluşturmaz.”

Onun yerine atomlar aynı kuantum durumlarına düşerler ve birbirlerinden ayırt edilemezler. Böylece atomlar Bose-Einstein istatistiğine uymaya başlar. Normalde bu istatistik, fotonlar gibi ayırt edilemez olan parçacıklara uygulanır.

Kuram ve Keşif

Bose-Einstein yoğuşuk maddesi ilk olarak Hintli fizikçi Satyendra Nath Bose (1894-1974) tarafından kuramsal olarak öngörülmüştür. Bose ayrıca kendi adı ile anılan atomaltı parçacıkları da, yani bozonları da keşfeden kişidir. Kuantum mekaniğindeki istatistiksel problemler üzerinde çalışan araştırmacı, düşüncelerini Albert Einstein’a göndermişti. Einstein bu çalışmanın basılmaya değer önemde olduğu kanısına vardı. En önemlisi de Einstein, Bose’un matematiğinin (daha sonraları Einstein-Bose istatistiği olarak adlandırılarak) ışığın yanı sıra atomlara da uygulanabileceğini fark etti.

Normalde atomların belli enerji değerlerinde olmaları gerekir. Zaten kuantum mekaniğinin en temel düşüncelerinden biri, atomların veya atomaltı parçacıkların enerjilerinin keyfi her değeri alamayacağıdır. Örneğin elektronların doldurmak zorunda oldukları ayrık orbitallerin olmasının ve bir orbitalden (yani enerji düzeyinden) düştüklerinde belli dalgaboyunda foton salmalarının nedeni budur. Ama Einstein ile Bose şunu buldu: Atomları mutlak sıfıra çok yakın bir değere soğutunca, bazı atomlar aynı enerji düzeyine düşerek, ayırt edilemez duruma geliyorlardı. İşte bir Bose-Einstein yoğuşuk maddesindeki atomların “süper atomlar” gibi davranmalarının nedeni buydu. Nerede oldukları ölçülmek istendiğinde, ayrık atomlar yerine bulanık bir top görülebiliyordu.

Maddenin tüm diğer halleri Pauli Dışarlama İlkesi‘ine uyar. Bu ilkeye göre, fermiyonlar (maddeyi oluşturan parçacık türündekiler) özdeş kuantum durumlarında bulunamazlar. Aynı orbitalde bulunan elektronların spinlerinin zıt olarak, net toplamlarının sıfır olma gerekliliği buradan gelir. Kimyanın olduğu biçimde olmasının nedeni ve birden fazla atomun aynı anda aynı yerde bulunamasının nedeni de bu ilkeye dayanır. Bose-Einstein yoğuşuk maddeleri tüm bu kuralları hiçe sayar.

Böyle madde durumlarının varolması gerektiği kuram tarafından söylenmiş olmasın karşın, deneysel keşfi ancak 1995 yılında, JILA Enstitüsü araştırmacıları olan Eric A. Cornell ve Carl E. Wieman ile MIT’den Wolfgang Ketterle tarafından gerçekleştirilebildi. Bu çalışmalarından ötürü 2001 yılında Nobel Fizik Ödülü aldılar.

Konu ile ilgili aşağıda yer alan videoyu da izlemenizi öneririz.

Kaynak ve İleri Okuma

Etiket
  • Projelerimizde bize destek olmak ister misiniz?
  • Dilediğiniz miktarda aylık veya tek seferlik bağış yapabilirsiniz.
  • Destek Ol
Yorum Yap (0 )

Yorum yapabilmek için giriş yapmalısınız.

Bunlar da ilginizi çekebilir

Bağış Yap, Destek Ol!
Projelerimizde bize destek olmak isterseniz,
Patreon üzerinden
bütçenizi zorlamayacak şekilde aylık veya tek seferlik bağışta bulunabilirsiniz.
E-Bülten Üyeliği
Duyurulardan e-posta ile
haberdar olmak istiyorum.
Reklam Reklam Ver
Arşiv