Etrafımızı çevreleyen hava, karmaşık bir otoyolu andırıyor. Bu otoyol içerisinde moleküller vızır vızır hareket ediyorlar ve aniden birbirlerine yüzlerce mil hızla çarpıyorlar. Böylesi moleküler davranış size ilginç gelse bile, çevresel sıcaklıklarda oldukça normal.

Peki sıcaklık, çevresel sıcaklıklara göre çok çok düşük olursa?..

Uzunca bir süredir bilim insanları sıcaklık mutlak sıfırın yakınlarına düştüğünde moleküllerin hareketi kesilip, kolektif bir vücut şeklinde davranabilecekleri varsayımında bulunuyorlar. Bu oldukça düzenli moleküler davranış, fiziksel dünyada şu zamana kadar gözlemleyemediğimiz, maddenin oldukça tuhaf ve egzotik halini oluşturuyor olabilir.

Yeni yapılan bir çalışmada MIT’den deneysel fizikçiler, sodyum potasyum (NaK) moleküllerini mutlak sıfır noktasından az miktarda fazla olan 500 nanokelvin’e soğutmayı başardılar. Bu rakam yıldızlararası uzayın sıcaklığından yaklaşık bir milyon kat daha az.

Araştırmacıların bulgularına göre, ultra-soğuk moleküller göreceli olarak uzun ömürlüler ve kararlılar, çünkü diğer moleküllerle reaktif çarpışmalara dirençliler. Ayrıca bu moleküller, oldukça güçlü dipol-moment sergiliyorlar, ve bu da uzak mesafeli moleküllerin arasındaki mıknatıs bezeri gücü oluşturan diğer moleküllerin elektrik yükleri içerisinde ciddi bir dengesizlik hali oluştuğu anlamına geliyor.

MIT fizik profesörü Martin Zwierlein’in belirttiğine göre, moleküller normal olarak enerjiyle dolularken; titreme, dönüş ve boşluk boyunca hareketleri çok coşkulu olurken, ultra-soğuk moleküller bariz bir şekilde çok daha durgun oluyorlar.

Zwierlein’e göre: ‘’ Kuantum mekaniğinin moleküllerin hareketinde belirleyici rolü üstlendiği sıcaklığa oldukça yakınız, bundan dolayı bu moleküller artık etrafta bilardo topları gibi hızlı şekilde çarpışarak hareket etmek yerine kuantum mekaniksel madde dalgalarıyla hareket ediyorlar. Ayrıca, ultra-soğuk moleküller ile süper akışkan kristaller gibi birçok farklı madde halini elde etmek de mümkün. Bu henüz gözlemlenmiş değil, fakat böyle olduğunu öngörebiliyoruz. Bu etkileri görmeye de çok uzak olmayabiliriz, bu yüzden tüm ekip oldukça heyecanlıyız. ‘’

7,500 Kelvin Enerji Düşüşü

Her molekül, moleküler yapıyı oluşturmak için birbirlerine bağlanmış tekil atomlardan oluşur. En basit haliyle molekül, bir halter gibidir, iki ucuna bağlı ağırlıkları atomlar ve ortasındaki demiri de elektromanyetik bağlantı olarak düşünebilirsiniz. Zwierlein’in araştırma grubu da sodyum potasyumun ultra-soğuk elementini oluşturmak için uzunca bir süredir çalışma yürütüyorlar.

Serbestlik derecelerinden dolayı— ötelenme, titreşim ve rotasyon— molekülleri direkt olarak soğutmak oldukça zordur. Fakat, atomların yapıları basitleştikçe, onları soğutmak da kolaylaşır. İlk adım olarak, MIT ekibi lazerleri ve buharlaşmalı soğutmayı kullanarak sodyum ve potasyum atomlarının bulutlarını ayrı ayrı mutlak sıfır noktası yakınına soğuttular. Daha sonra atomları bağ yapmaya sevk etmek ve ultra-soğuk molekülleri oluşturmalarını sağlamak için manyetik alan uyguladılar.

Zweierlein’in belirttiğine göre; ‘’ Bu aynı radyonuzu bir radyo istasyonunun frekansına ayarlamaya çalışmak gibi, atomlar birlikte mutlu bir şekilde titreşmeye başladılar ve bağlı molekülü oluşturdular. ‘’

Ortaya çıkan bağ görece olarak daha zayıftı, Zwierlein bu bağı Türkçede pofuduk ya da tüy gibi yumuşak anlamına gelebilecek bir sözcük olan ‘’fluffy’’ olarak adlandırıyor.

Araştırmacılar bu bağı oluşturduktan sonra, molekülde az bir miktarda titreşim devam etti çünkü her atom birbirine uzun ve çok zayıf bir bağlantı ile tutunuyordu. Bu sorunun üstesinden gelmek, atomları birbirlerine daha yakın hale getirip daha sağlam ve kararlı bir molekül elde etmek için de araştırmacılar ilk defa 2008 yılında adı duyulan bir tekniği kullandılar. Bu  teknik University of Colorado’dan araştırmacılar tarafından KRb ( potasyum rubidyum) ve apolar Ce2 molekülleri için kullanılmıştı.

Bu tekniği kullanabilmek için, oluşturulan zayıf bağlı NaK molekülleri aralarında yüksek frekans farkı olan bir lazer çiftinin etkisine maruz bırakıldı. Lazerlerden birisinin enerjisi yüksek titreşimli seviyenin enerjisine karşılık gelirken diğer lazerin enerjisi mümkün olan en düşük titreşimli seviyenin enerjisine karşılık geliyordu. Düşük enerjili lazerin absorbsiyonu ve yüksek enerjili lazer ışının emisyonu sayesinde moleküller mevcut olan titreşimsel enerjilerini kaybettiler.

Bu teknik sayesinde MIT araştırmacıları, molekülleri en düşük titreşimsel ve rotasyonal seviyelerine çekmeyi başardılar. Yani bu noktada sıcaklık cinsinden 7500 kelvin’e denk gelen oldukça büyük bir enerji düşüşü gerçekleştirdiler.

Kaynak:

Massachusetts Institute of Technology. (2015, June 10). Ultracold molecules created: At near absolute zero, molecules may start to exhibit exotic states of matter. ScienceDaily. Retrieved June 15, 2015 from www.sciencedaily.com/releases/2015/06/150610131802.htm