Pauli Engellemesi Doğrudan Gözlemlendi

Eski zamanlarda düşünülüp, zarif matematiksel eşitlikler olarak ifade edilmiş olan kuralları kanıtlamak için artık elimizde kuantum optiksel deney yöntemleri var. Bunlardan yararlanarak, Max Planck En..
Görsel Telif:

Eski zamanlarda düşünülüp, zarif matematiksel eşitlikler olarak ifade edilmiş olan kuralları kanıtlamak için artık elimizde kuantum optiksel deney yöntemleri var. Bunlardan yararlanarak, Max Planck Enstitüsü’nden Dr. Christian Groß liderliğinde bir ekip önemli bir adım attı.

Mikrokozmos kuantum mekaniğinin yasalarına uyar. Örneğin temel parçacıkların istatistiksel davranışı kuantum mekaniği tarafından tanımlanabilir. Bu bağlamda parçacıklar Bose-Einstein İstatistiği ile Fermi-Dirac İstatistiği adı verilen iki istatistikten birine göre davranır. Uydukları istatistiğe uygun olarak, adı ilk anılan istatistiğe göre hareket edenlere “bozon“, ikincisine göre hareket edenlere de “fermiyon” denir.

Elektronlar ve atomların tüm diğer bileşenleri fermiyon sınıfından parçacıklar olup, birebir aynı kuantum sayılarına sahip olamazlar. Bu olgu 1925 senesinde, atomların yapısını ve bu yapıyı koruyabilmelerini açıklamak amacıyla Avusturyalı fizikçi Wolfgang Pauli tarafından formüle edilmiştir ve “Pauli Dışarlama İlkesi” olarak bilinir.

Araştırmacılar, dışarlama ilkesinin bir sonucu olan “Pauli Engellemesi“nin ilk doğrudan gözlemini Aralık 2015`de gerçekleştirdi. Bunu yapmak için fermiyonik lityum-6 atomlarından oluşan bir bulutu aşırı düşük sıcaklıklara kadar soğuttuktan sonra, parçacıkları optiksel bir örgüye doldurdular. Özdeş fermiyonların aynı örgü bölgesini işgal etmesi izinli olmadığından, herbir atomun kendine ayrı yer bulması bekleniyordu. Bir kuantum gazı mikroskobunun yadımıyla deneyde tam olarak bu gözlemlendi.

“Başarımız, bozonlar için geliştirdiğimiz soğutma ve görüntüleme yöntemlerini, fermiyonların gereksinimlerine uyarlamamızın sonucunda ortaya çıktı. Fermiyonik kuantum madde içindeki kuantum bağlaşıklıkların incelenmesi veya kuantum manyetizma ve süperiletkenlik gibi görüngülerin daha iyi anlaşılması için bu çalışmamız yeni bir kapı açıyor,” diyor Christian Groß.

Kuantum istatistikler, iki farklı tür parçacığı birbirinden ayırır. Bir yanda “sosyal” bozonlar vardır ve bunlar sıfır sıcaklıkta tek bir kuantum durumunda yoğuşurlar. Öte yanda ise “bireysel” fermiyonlar vardır ve onların her biri ayrı durumlar işgal ederler. Soğutulmuş kuantum gazları ile yaptıkları çalışmalarında, bilimcilerin iki seçeneği vardı: Spini tamsayı olan parçacıklar bozon, spini buçuklu olanlar ise fermiyon olduğuna göre, atomların hangi istatistiğe uyacağı, yani nasıl bir sosyal davranış gösterecekleri, varolan elektron, proton ve nötronların toplam sayısına bağlıydı. Eğer amaç atomların optiksel örgülerde bulunduğu katı bir kristaldeki elektronların davranışlarını simüle etmek ise elbette fermiyonlar daha iyi bir yaklaştırma olacaktı. Bununla birlikte, şimdiye dek çoğu deneyde bilimciler bozonik parçacıkları kullanmıştı; çünkü fermiyonları gereken düzeyde düşük sıcaklıklara getirmek çeşitli nedenlerle çok daha zordu.

Sonunda Dr.Groß’un ekibi verimli soğutma yöntemlerini yüksek duyarlılığa sahip algılayıcılarla birlikte kullanarak, bu engeli aşmayı başardı. İlk önce atomlar soğutulup, bir dipol tuzağında tutuldu. Çeşitli ışık alanları uygulayan bilimciler, birkaç yüz atomdan oluşan tek bir düzlem elde etti. Girişim yapan lazer ışınları ile yaratılan bir optik örgü üzerine bindirildi. Bu örgü “kristal geometrisi”ni yani atomların bulunması izinli olan bölgeleri tanımlamış oldu.

En önemli ve yeni adım ise birkaç yıl önce Bloch grubu tarafınfan geliştirilen kuantum gaz mikroskobunun modifikasyonuydu. Bilimciler bir optik örgüdeki fermiyonlara, iyonları soğutmak için geliştirilmiş olan özel bir soğutma yöntemi uyguladı. Bir örgü kuyusunda bulunan bir atomun kuantum mekaniksel salınım durumları yönlendirilerek, atomlar en düşük sıcaklık eşliğinde taban durumuna düşürüldü.

Bu sırada fotonlar atomlardan saçılma yaparak, minik nano ampüller gibi ışık vermelerini ve teker teker gözlemlenebilmelerini sağladı. Yüksek çözünürlüklü bir mikroskop objektifi, atomların hepsini bir seferde görüntüler; tıpkı atomik gazın bir anlık fotoğrafını çeker gibi. Ölçümler tuzağın ortasında daha düz bir dağılım gösterir; her örgü bölgesine bir atom biçiminde. Ekipten doktora öğrencisi Ahmed Omran şöyle diyor: “Bu dağılımın sadece kuantum istatistiğin, yani Pauli engellemesinin sonucu olarak doğması önemli. Özdeş fermiyonlar birbirini itiyor ve başka da herhangi bir etkileşim yok.”

Katı bir kristaldeki atomların periyodik düzenine bağlı olarak, elektronların enerji düzeyleri yakın komşu düzeylerin “bantlarına” bölünebilir. Eğer en yüksek enerjili valans bantı tamamen dolu ise elektronlar kıpırdayamaz ve malzeme yalıtkan olur. Deneyde üretilen fermiyonik lityum sisteminin kuantum durumu, buna benzer bir durumu temsil eder: Pauli ilkesi tamamen dolu bir valans bantına neden olur; yani iletkenliği baskılar. Bu da kuantum gaz mikroskobu ile algılanan parçacık sayısı çalkalanmalarında güçlü bir baskılama olarak ortaya çıkar.

Yeni teknik, fermiyonik atomlardan oluşan kuantum çoklu cisim sistemleri ile bundan sonra yapılacak deneyler için çok sayıda yeni olasılık sunuyor. Örneğin, yöntemde ufak değişiklikler yapılarak, sistemlerdeki fermiyonların teker teker manipülasyonu mümkün olabilir; böylece daha düşük sıcaklıklara erişilebilir. O noktada,  kuantum gaz mikroskubu ile algılanıp karakterize edilecek yeni bir antiferromanyetik düzenin belirmesi bekleniyor. Antiferromanyetizma, süperiletkenliğin temel düzeyde açıklanması adına geniş çapta tartışılan bir aday konumunda bulunuyor.

 


Kaynak: Phys.org, “Cold fermions keep distance from each other”
< http://phys.org/news/2016-01-cold-fermions-distance.html >

Referans Makale: Ahmed Omran et al. Microscopic Observation of Pauli Blocking in Degenerate Fermionic Lattice Gases, Physical Review Letters (2015).
< http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.263001 >


Bu içerik BilimFili.com yazarı tarafından oluşturulmuştur. BilimFili.com`un belirtmiş olduğu “Kullanım İzinleri”ne bağlı kalmak kaydıyla kullanabilirsiniz.

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