ABD ve Avusturya’dan araştırmacılar, ultra-soğuk koşullarda lazer kullanarak, atomların doğada daha önce görülmemiş karmaşık bir yapı oluşturmasını sağladı. Bu egzotik madde hâli “Rydberg polaronları” olarak adlandırılıyor ve çok düşük sıcaklıklarda oluşturulabiliyor. Bir elektron, çekirdeğinden o kadar uzak bir yörüngede bulunuyor ki, yörüngenin içinde kalan başka atomlar olabiliyor. Bu atomların hepsi zayıf bir bağ yaparak, Rydberg polaronları oluyorlar.

Peki bu nasıl gerçekleşebiliyor? Eğer bir öbek strontiyum atomu alıp dondurursanız, sonra da içlerinden birini uyarırsanız, tuhaf bir şey olur: Atom, kendine en yakın duran arkadaşlarıyla toplu bir kucaklaşma yapar. Bu, aşırı düşük sıcaklıklarda parçacıkların nasıl etkileşimler yapabileceğine ilişkin dikkate değer bir örnek sunar.

Ortaokulda atomun yapısına ilişkin gördüğümüz çizimlerden, atom çekirdeği ile elektronlar arasında epeyce mesafe olduğunu biliyoruz. Fakat aslında atomun yapısı öyle bir gezegen-uydu görüntüsünde değildir. Çekirdekle elektron arası uzaklık da ölçeğe uygun değildir; çünkü öyle bir çizim için ya sayfayı metrelerce uzatmak, ya da elektronu görünmeyecek denli küçük basmak gerekecektir. Elektronlar aslında çekirdek etrafındaki olasılık bulutlarındaki dalgalar gibi düşünülebilir ama asıl durumu akılda tutarak bu basitleştirilmiş görünüm üzerinden devam edebiliriz.

Bilimciler, çekirdek ile elektron olasılık bulutları arasındaki boşluğa başka atomlar sıkıştırıp sıkıştıramayacaklarını sınamak için Bose-Einstein yoğuşuk maddesi üzerine yapılan çalışmalar ile Rydberg atomu adı verilen nesnenin oluşturulmasına ilişkin çalışmaları harmanladı.



Bir atom topluluğundan mümkün olan en yüksek ısı enerjisini emdiğinizde, atomlar bireysel kimliklerini yitirerek, aynı kuantum durumlarını paylaşmaya başlar. Maddenin bu hâline Bose-Einstein yoğuşuk maddesi adı verilir. Parçacıkları mutlak sıfıra yakın sıcaklıklara kadar soğutmak oldukça güç olup, kuantum özelliklerini incelemek son derece sessiz koşullar ister. Yapılan son çalışmada bilimciler çok sayıda strontiyum atomunu böyle bir yoğuşuk madde olana dek soğutup, ardından içlerinden birine lazer tuttu. Amaç, seçilen atomu, elektronlarından bir ya da birkaç tanesi çekirdekten uzaktaki bir yörüngeye fırlatacak şekilde vurmaktı; yani Rydberg atomu adı verilen bir uyarılmış durum yaratmaktı.

Polaron sözcüğünün nereden geldiğini anlamak için ise tanıma bakalım: Polaronlar, tekil bir parçacığın çevresiyle güçlü bir etkileşime girmesi ve yakınlardaki elektronların, iyonların veya atomların kendilerini yeniden düzenlemesine neden olması sonucu parçacığın kendisiyle birlikte taşıdığı bir çeşit kaplama oluşturmalarıyla oluşur. Polaronun kendisi, başlangıçtaki parçacığın özelliklerine ve çevresine entegre olan bir topluluktur. Rydberg polaronları daha önce rubidyum ile oluşturulmuştu ama strontiyumun kullanılması fizikçilerin kaplanmış Rydberg atomlarının enerjisini daha net çözmelerini sağladı.

Deneye dönersek, uyarılmış atomda elektronun çekirdekten ne kadarlık bir uzaklığa gitmesi bekleniyordu? Viyana Teknik Üniversitesi’nden kuramsal parçacık fizikçisi Joachim Burgdörfer, bunun birkaç yüz nanometreye kadar çıkabileceğini söylüyor; yani hidrojen atomunun yarıçapından bin kat daha büyük bir uzaklık. En azından bir bütün atomun sığabileceği kadar yer olur gibi görünüyor. Bilgisayar simülasyonları, atomlar arası uzaklığın, elektron ile çekirdek arası uzaklıktan çok daha küçük olacağına işaret ediyordu. Kuramsal olarak bu kuantum sıçraması (elektronun uzağa fırlayışı), yakınlarda bulunan 170 kadar strontiyum atomunun araya sığabileceği bir yörünge oluşturabilirdi. Asıl merak edilen şey ise bu atom kalabalığının alışık olmadıkları öyle bir kucaklaşmada birbirlerini nasıl etkileyebilecekleri idi.

Viyana Üniversitesi fizikçilerinden Shuhei Yoshida, atomların elektrik yüklerinin olmadığını, dolayısıyla elektrona çok düşük düzeyde bir kuvvet uyguladıklarını belirtiyor. Ama uyarılmış elektrona yine de strontiyum atomları tarafından etkiyen bir kuvvet olacaktı. Onu yörüngesinden çıkarmaya yetmezdi ama sistemin toplam enerji miktarını düşürmeye yetiyordu. Enerjideki böyle bir düşüş, kuramsal olarak Rydberg atomu ile strontiyum atomları arasında zayıf bir bağ kurulması demektir. Bu durumda strontiyum atomları “Rydberg polaronları” adını alır. Yapılan deneyde bunun gerçekleştiğine ilişkin kanıt elde edilmiş oldu.

Yoshida bunun son derece alışılmadık bir durum olduğunu, normalde kendine elektronlu bağlayan yüklü çekirdeklerle uğraştıklarını söylüyor. Burada ise nötr atomları bağlayan bir elektron var. Maddenin bu zayıf bağlı yeni hâlinin, Bose-Einstein yoğuşuk maddesi çalışmalarında işe yarayabileceği düşünülüyor.