Aşırı Düşük Sıcaklıklara Nasıl Ulaşılıyor?

Aşırı düşük sıcaklıklara ulaşmak için kullanılan bir deney düzeneği

Bilimde sıcaklıkları ölçmek için Kelvin ölçeği kullanılır. Kelvin ölçeğinde sıfır derece mutlak sıfır olarak tanımlanır ve bir sistemin sahip olabileceği en düşük sıcaklığa karşılık gelir. Günlük hayatta kullandığımız Celsius ölçeğinde mutlak sıfır -273°C’tır. Fiziksel olarak mutlak sıfıra ulaşmak imkânsızdır. Ancak laboratuvar ortamında karmaşık aletler ve yöntemler kullanılarak mutlak sıfıra çok yakın sıcaklıklara ulaşılabiliyor. Bugüne kadar kaydedilmiş en düşük sıcaklık 100 pikoKelvin yani yaklaşık olarak 1 Kelvin’in 10 milyarda biri kadardı.

Bu yazıda laboratuvar ortamında aşırı düşük sıcaklıklara ulaşmak için geliştirilmiş yöntemlerden ikisine odaklanacağız: lazerle soğutma ve buharlaştırmalı soğutma.

İlk olarak lazerle soğutmayı ele alalım. İlk bakışta lazerle bir sistemin soğutulamayacağını, sadece ısıtılabileceğini düşünebilirsiniz. Çünkü lazerler yoğun ışık demetleridir. Bir sistemin üzerine lazer ışığı tutarsanız zamanla ışığı soğurup ısınmasını beklersiniz. Ancak bu yoğun ışık demetlerini kullanarak da bir sistemi soğutmak mümkündür. Nasıl mı? Lazerle soğutma sistemlerinde atomlar önce lazer ışığından bir foton yakalar, sonra da kendileri bir foton yayar. Bu sistemlerin temel özelliği, yayılacak fotonun enerjisinin her zaman soğurulacak fotonunkinden biraz daha yüksek olacak biçimde tasarlanmış olmalarıdır. Bu yüzden atomlar tekrar tekrar foton soğurup yaydıkça sistemin toplam enerjisi azalır, sıcaklığı düşer.

Atomlardaki elektronlar çeşitli enerji seviyelerinde bulunur. Elektronların bu seviyeler arasında geçiş yapması ancak “doğru enerjiye” sahip bir foton soğurmaları veya yaymalarıyla mümkündür. Bu doğru enerji miktarı, iki seviye arasındaki enerji farkıdır.

Lazerle soğutma. 1) Durağan hâldeki atomlar için lazer ışığının frekansı değişmez. 2) Lazerden uzaklaşan atomlar için ışığın frekansı kırmızıya kayar. Bu atomalar lazer ışığını soğuramaz. 3.1) Lazere yaklaşan atomlar için ışığın frekansı maviye kayar. 3.2) Işığı soğuran atomlar yavaşlar. 3.3) Uyarılmış atomlar rastgele yönlerde ışık yayarak enerji kaybeder. Görsel: Cmglee/Wikipedia

Lazerle soğutma sistemlerinin ürettiği ışığın frekansı atomların “durgun hâldeyken” soğurabileceğinden biraz daha düşük bir değere ayarlanır. Bu yüzden sistemin içinde hareket eden herhangi bir atom bu lazer ışığını soğuramaz. Lazerle soğutma düzeneklerinde soğutulmak istenen sistemin üzerine tek bir yönden lazer ışığı gönderilir. Bu ışığı soğurabilen atomlarsa sadece ışığa ters yönde hareket edenlerdir. Bu parçacıklar için -Doppler etkisi nedeniyle- lazer ışığının frekansı artar ve doğru değere ulaşır. Fotonları soğuran atomlar daha sonra kendileri rastgele yönlerde foton yayarak enerji kaybeder. Bu süreç dışarıdan gözlemlendiğinde, atomların önce düşük miktarda enerji soğurup sonra yüksek miktarda enerji yaydığı görülür.

Lazerle soğutulan sistemler enerji kaybederek soğudukça daha yoğun hâle gelir. Bu durum atomlar arasındaki etkileşimlerin daha fazla soğumayı engellemesiyle sonuçlanır. Ancak lazerle soğutma yöntemiyle ulaşılan sıcaklıklar yine de atomları manyetik alanlar kullanarak belirli hacimlerin içine hapsetmeye yetecek kadar düşüktür.

Atomları belirli hacimlerin içine hapsetmek için kullanılan bir tür manyetik kafes. Görsel: Ken-Ichi Nakagawa/Wikipedia

Manyetik kafeslerin içine hapsedilen atomların sıcaklığını daha da düşürmek için buharlaştırmalı soğutmadan yararlanılır. Bu yöntem özetle şu şekilde ilerler: Manyetik kafesin en dış bölgelerindeki atomlar radyo dalgaları ve mikrodalgalar yardımıyla sistemden koparılır. Manyetik kuvvetlere zıt yönde ilerleyip kafesin en dış bölgelerine ulaşmayı başaran bu atomlar görece en yüksek enerjiye sahip olanlardır. Dolayısıyla sistemden yüksek enerjili atomlar uzaklaştırıldıkça geriye kalan atomların ortalama enerjisi ve dolayısıyla sistemin sıcaklığı düşer. Bu süreci sıcak bir bardak çaydan yüksek enerjili su molekülleri buharlaşıp uzaklaştıkça bardaktaki çayın soğumasına benzetebiliriz.