Fizikçiler Termodinamik Yasalarına Açık Bir Aykırılık Keşfetti

Termodinamiğin temel yasalarına göre, eğer kışın pencerenin önüne sıcak bir elmalı turta koyarsanız, elmalı turta bir müddet sonra çevresindeki hava ile eşit sıcaklığa varana dek soğuyacaktır. Kimyacı..
Görsel Telif:

Termodinamiğin temel yasalarına göre, eğer kışın pencerenin önüne sıcak bir elmalı turta koyarsanız, elmalı turta bir müddet sonra çevresindeki hava ile eşit sıcaklığa varana dek soğuyacaktır.

Kimyacılar ve fizikçiler açısından, iyonlar olarak da bilinen yüklü parçacık örneklerinin soğutulması, üzerlerinde çalışmayı ve onları kontrol etmeyi kolaylaştırıyor. Bu nedenle, iyonların sıcaklığını düşürmek için, iyonları tuzaklayıp soğuk atom bulutlarına daldırmak suretiyle, tampon gaz soğutma (İng: buffer gas cooling) olarak bilinen benzer bir yaklaşım kullanılıyor. UCLA’da fizik doçenti olan Eric Hudson; “Başlangıçta sıcak olan iyonlar, atomlarla yapılan çarpışmalardan dolayı, iyonlardan atomlara doğru enerji transfer edilmesiyle soğuyor, tıpkı soğuk pencerenin önüne sıcak bir elmalı turtanın konulduğunda soğumasıyla aynı şekilde.” diye açıklıyor.

Nature Communications dergisinde Hudson ve ekibi tarafından yayımlanan yeni bir makalede, iyonlar asla çevresindeki gazla aynı sıcaklığa kadar soğumuyor. Ayrıca ilginç bir şekilde, belirli koşullar altında iki farklı nihai sıcaklık değeri meydana geliyor ve iyonlar başlangıç sıcaklıklarına bağlı olarak bunlardan birini seçiyor.

“Termodinamiğin bilindik yasalarına olan bu aykırılık, elmalı turtamızın pencerenin önüne konulduğundaki sıcaklığına bağlı olarak, elmalı turtanın beklendiği gibi soğumasına veya kendiliğinden alev almasına benziyor.” diye anlatıyor Hudson.

UCLA araştırmacıları ilk defa, iyon tuzaklarında tampon gaz soğutma kullanımı için temel sınırlar belirledi. Deneylerini gerçekleştirmek için, araştırmacılar lazer soğutmalı baryum iyonlarının mikroskobik bir örneğini hazırladılar ve kabaca 3 milyon tane lazer soğutmalı kalsiyum atomlarından oluşan bulutun içine daldırdılar. Normalde gizli olan kuantum mekaniksel özellikleri açığa çıkarmak için, titiz bir şekilde kontrol edilen koşullar altında aşırı derecede soğuk moleküller oluşturdular.

İyonlar, saniyede milyonlarca defa salınım yapan elektrik alanlarını kullanarak ve iyonları saç telinin kalınlığından daha dar bir alana hapsederek, yüklü parçacıkları havaya kaldıran bir aparatın içerisinde tuzaklandı. Parçacık hareketini yavaşlatmak için lazer ışığının momentumunu kullanan bir teknikle, atom ve iyon örnekleri mutlak sıfırın derecenin binde biri kadar üzerindeki aşırı düşük sıcaklıklara kadar soğutuldu.

Atomlar ve iyonlar arasında çarpışmaların olması sağlandıktan ve sistemin son sıcaklık değerine ulaşmasının ardından, fizikçiler ortamdan kalsiyum atomlarını uzaklaştırdılar ve baryum iyonlarının sıcaklığını ölçtüler. Başlangıç sıcaklığına ve iyon sayısına bağlı olarak birden fazla nihai sıcaklık değerinin varlığını gösteren sonuçlar, fark edilmesi zor dengede olmayan bir fiziğin iş üstünde olduğunu gösteriyor.

Araştırmacılar bu garip özelliklerin izlerini, sistemde mevcut olan ısıtma ve soğutma hızlarına kadar takip ettiler – iyon tuzağındaki çoklu iyonlar arasındaki etkileşmelerin olağandışı sıcaklık bağımlılığı. Hem simülasyonlar hem de teori deneysel bulguları destekliyor ve tampon-gaz soğutma işleminin, başlangıçta düşünüldüğü gibi düzgün ve dengeli bir süreçten ziyade, esas itibarıyla ayrıntılı, dengede olmayan bir süreç olduğunun altını çiziyor.

Hudson’ın laboratuvarında lisansüstü öğrencisi olan ve şu anda NASA’nın Jet Fırlatma Laboratuvarı’nda araştırmacı olarak çalışan, makalenin başyazarı Steven Schowater; “Sonuçlarımız, ne kadar soğuk olursa olsun herhangi bir tampon gazı cihazınıza öylece atamayacağınızı ve etkili bir soğutucu olarak görev yapmasını bekleyemeyeceğinizi gösteriyor.” diye anlatıyor.

Tampon gaz soğutma, adli tıptan karşı madde üretimine kadar pek çok alanda kritik öneme sahip. Hudson’ın ekibi, soğuma süreci üzerindeki mevcut anlayışımızı yeniden düzenleyen, daha önceki soğutma deneylerinde karşılaşılan zorlukları açıklayan ve aşırı soğuk iyon örnekleri üretmek için yeni yollar gösteren önemli ayrıntılar keşfetti. Bu çerçevede, araştırmacılar, istenmeyen etkilerin nasıl üstesinden gelinebileceğini, hatta bu etkilerin hassas kontrol edilen bir tutumla tek atomlu ısı cihazlarında ve moleküler motorlarda rol oynayan mekanizmalar üzerinde araştırma yapmak için nasıl yararımıza kullanılabileceğini göstermiş oldular.

“Elbette bu çalışma termodinamik yasalarını ihlal etmiyor, sadece tampon gaz soğutma ile alakalı hala öğrenilecek bazı ilginç ve olası yararlı bilgilerin olduğunu gösteriyor.” diye anlatıyor, araştırmayı finanse eden Ulusal Bilim Vakfı’nın fizik bölümü yöneticisi John Gillaspy. “Bu bir tür, diğer bilim insanlarının ve mühendislerin çıkmaz yollara girmelerini engelleyerek ve yerine alabilecekleri daha verimli yolları aydınlatarak,  geniş çapta uygulamalı araştırma çabalarına yol gösterebilecek temel bir çalışma.”


Kaynaklar:

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