Bose-Einstein yoğunlaşmaları, 1920’lerde Albert Einstein ve Hintli fizikçi Satyendra Nath Bose tarafından tahmin edilen bir madde halidir. Bu durumda, tamsayı spinli parçacıklar olan bir grup bozon, tek bir varlık gibi davranarak aynı kuantum durumuna çöker. Bu, sıfır viskozite ve akışa karşı sıfır direnç dahil olmak üzere, maddenin diğer hallerinde gözlemlenmeyen benzersiz bir dizi özellik ile sonuçlanır.
Bose-Einstein yoğuşmaları için fizikteki temel bir teoremin geçerliliği Bonn Üniversitesi’ndeki araştırmacılar tarafından doğrulandı.
Bonn Üniversitesi’ndeki fizikçiler, istatistiksel fizikteki çok önemli bir teoremin Bose-Einstein yoğunlaşmalarına uygulanabileceğini deneysel olarak kanıtladılar. Bu keşif, bu kuantum “süper parçacıkların” belirli özelliklerinin ölçülmesini mümkün kılarak, başka türlü gözlemlenmesi zor olacak sistem özelliklerinin çıkarımını sağlar. Bu çalışmanın bulguları Physical Review Letters dergisinde yayınlandı.
Önünüzde bilinmeyen bir sıvıyla dolu bir kap olduğunu varsayalım. Amacınız, içindeki parçacıkların (atomlar veya moleküller) termal enerjileri nedeniyle ne kadar rastgele ileri geri hareket ettiğini bulmaktır. Ancak, “Brown hareketi” olarak bilinen bu konum dalgalanmalarını görselleştirebileceğiniz bir mikroskobunuz yok.
Buna hiç ihtiyacınız olmadığı ortaya çıktı: Bir nesneyi bir ipe kolayca bağlayabilirsiniz. ve sıvının içinden çekin. Ne kadar kuvvet uygulamanız gerekiyorsa, sıvınız o kadar viskoz olur. Ve ne kadar viskoz olursa, sıvı içindeki parçacıklar ortalama olarak konumlarını o kadar az değiştirir. Bu nedenle belirli bir sıcaklıktaki viskozite, dalgalanmaların boyutunu tahmin etmek için kullanılabilir.
Fotonlar (yeşil) – boya molekülleri (kırmızı) tarafından “yutulabilir” ve daha sonra ” tekrar tükürdü ”. Bu ne kadar olasıysa, foton sayısı o kadar çok dalgalanır. Kredi: J. Schmitt/Bonn Üniversitesi
Bu temel ilişkiyi açıklayan fizik yasası, dalgalanma-dağıtım teoremidir. Basit bir ifadeyle şöyle der: Bir sistemi dışarıdan tedirgin etmek için uygulamanız gereken kuvvet ne kadar büyükse, kendi haline bırakırsanız o sistem kendi kendine rastgele (yani istatistiksel olarak) o kadar az dalgalanacaktır. Bonn Üniversitesi Uygulamalı Fizik Enstitüsü’nden Dr. Julian Schmitt, “Şimdi, özel bir kuantum sistemleri grubu için teoremin geçerliliğini ilk kez doğruladık: Bose-Einstein yoğuşmaları,” diye açıklıyor.
{ 12}Binlerce hafif parçacıktan oluşan “süper fotonlar”
Bose-Einstein yoğuşmaları, kuantum mekaniksel bir etki nedeniyle ortaya çıkabilen egzotik madde biçimleridir: Belirli koşullar altında parçacıklar, atom, molekül veya fotonlar (ışığı oluşturan parçacıklar) bile ayırt edilemez hale gelir. Yüzlerce hatta binlerce tanesi tek bir “süper parçacıkta” birleşir: Bose-Einstein yoğuşması (BEC).
Dr. Julian Schmitt, – Bonn Üniversitesi Uygulamalı Fizik Enstitüsü’nde küçük araştırma grubu lideri. Kredi: Benoit Grogan-Avignon (2022)
Sınırlı sıcaklıktaki bir sıvıda, moleküller rastgele ileri geri hareket eder. Sıvı ne kadar sıcaksa, bu termal dalgalanmalar o kadar belirgindir. Bose-Einstein yoğunlaşmaları da dalgalanabilir: Yoğunlaşan parçacıkların sayısı değişir. Ve bu dalgalanma, artan sıcaklıkla birlikte artar.
“Eğer dalgalanma-dağılım teoremi BEC’ler için geçerliyse, parçacık sayılarındaki dalgalanma ne kadar büyükse, bir dış tedirginliğe o kadar hassas tepki vermeleri gerekir,” diye vurguluyor Schmitt. “Ne yazık ki, aşırı soğuk atomik gazlarda genellikle incelenen BEC’lerdeki sayı dalgalanmaları, bu ilişkiyi test etmek için çok küçük.”
Ancak, Schmitt’in içinde genç bir araştırmacı olduğu Prof. Dr. Martin Weitz’in araştırma grubu grup lideri, fotonlardan oluşan Bose-Einstein kondensatlarıyla çalışır. Ve bu sistem için sınırlama geçerli değildir. Kısa bir süre önce Avrupa Birliği’nden genç bilim insanlarına verilen ve ERC Başlangıç Hibesi olarak bilinen büyük bir ödül kazanan fizikçi, “BEC’lerimizdeki fotonları boya molekülleri ile etkileşime sokuyoruz” diye açıklıyor. Fotonlar boya molekülleri ile etkileştiğinde, sıklıkla bir molekülün bir fotonu “yutması” olur. Böylece boya enerjisel olarak uyarılır. Daha sonra bir foton “tükürerek” bu uyarma enerjisini serbest bırakabilir.
Düşük enerjili fotonlar daha az yutulur
“Boya molekülleriyle temas nedeniyle, içindeki fotonların sayısı BEC’lerimiz büyük istatistiksel dalgalanmalar gösteriyor” diyor fizikçi. Ek olarak, araştırmacılar bu varyasyonun gücünü tam olarak kontrol edebiliyorlar: Deneyde, fotonlar iki ayna arasında sıkışıp kalıyor ve burada pinpon oyunu tarzında ileri geri yansıtılıyorlar. Aynalar arasındaki mesafe değişebilir. Ne kadar büyük olursa, fotonların enerjisi o kadar düşük olur. Düşük enerjili fotonların bir boya molekülünü uyarma olasılığı daha düşük olduğundan (dolayısıyla daha az yutulurlar), yoğunlaştırılmış ışık parçacıklarının sayısı artık çok daha az dalgalanıyor.
Bonn fizikçileri şimdi dalgalanmanın boyutunun nasıl olduğunu araştırdılar. BEC’in “yanıtı” ile ilgilidir. Dalgalanma-dağıtım teoremi geçerliyse, dalgalanma azaldıkça bu hassasiyet azalmalıdır. Aynı zamanda Bonn Üniversitesi’ndeki Disiplinlerarası Araştırma Alanı (TRA) “Matter” ve Mükemmellik Kümesi “ML4Q – Matter and Matter” üyesi olan Schmitt, “Aslında, bu etkiyi deneylerimizde doğrulayabildik” diye vurguluyor. Light for Quantum Computing.”
Sıvılarda olduğu gibi, Bose-Einstein yoğuşmalarının mikroskobik özelliklerini daha kolay ölçülebilen makroskobik tepki parametrelerinden anlamak artık mümkün. Schmitt, “Bu, karmaşık fotonik sistemlerde hassas sıcaklık belirleme gibi yeni uygulamalara yol açıyor” diyor.
Referans: “Fluctuation-Dissipation Relation for a Bose-Einstein Condensate of Photons”, Fahri Emre Öztürk , Frank Vewinger, Martin Weitz ve Julian Schmitt, 20 Ocak 2023, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.033602
Çalışma, Alman Araştırma Vakfı tarafından finanse edildi ( DFG), “Photons for Quantum Simulation” adlı AB projesinin bir parçası olarak ve Almanya Federal Ekonomi ve İklim Eylem Bakanlığı (BMWK).