Bugün 14 Mart, Albert Einstein’ın ve MC2 Haber’in doğum günü. Web sitemiz bugün bir yaşına girdi. Bu süreçte bizi yalnız bırakmayan okurlarımıza teşekkür ederiz. Hal böyle olunca günün ilk haberi de Einstein’ı ilgilendirsin istedik. Kuantum dünyasına Einstein’ın görelilik teorisi / izafiyet teorisi (E = mc2) ile açıklanabilecek yeni bir kapı açıldı. Biz de Max Planck Nükleer Fizik Enstitüsü’nde yer alan bu araştırma haberini sayfamıza taşıdık.
Kuantum dünyasına yeni bir kapı açıldı: Bir atom, bir elektronun kuantum sıçraması yoluyla enerjiyi emdiğinde veya serbest bıraktığında, daha ağır veya daha hafif hale gelir. Bu, Einstein’ın izafiyet teorisi (E = mc2) ile açıklanabilir. Bununla birlikte, etki tek bir atom için çok küçüktür. Max Planck Nükleer Fizik Enstitüsü ( Max Planck Institute for Nuclear Physics)’nden Klaus Blaum ve Grup Lideri Sergey Eliseev’in ekibi, tek tek atomların kütlesindeki bu sonsuz küçük değişimi ilk kez başarıyla ölçtü. Bunu başarmak için Heidelberg’deki Enstitü’deki ultra hassas Pentatrap atom dengesini kullandılar.
Farklı kuantum durumları arasındaki küçük kütle farklılıklarını ölçmek, ağır atomlara yeni bakış açıları sağlar. Max Planck Nükleer Fizik Enstitüsü’nden Klaus Blaum ve Grup Lideri Sergey Eliseev’in ekibi,renyumda daha önce gözlemlenmemiş bir kuantum halini keşfetti ve bu, gelecekteki atomik saatler için ilginç olabilir. Her şeyden önce, bu son derece hassas atomik denge, ağır atomların karmaşık kuantum dünyasının daha iyi anlaşılmasını sağlayacaktır.
Şaşırtıcı ama gerçek: mekanik bir saat kurarsanız daha ağır olur. Akıllı telefonunuzu şarj ettiğinizde de aynı şey oluyor. Bu, Einstein’ın fizikteki en ünlü formülde ifade ettiği enerji (E) ve kütlenin (m) denkliği ile açıklanabilir: E = mc2 (c: boşlukta ışığın hızı). Ancak, bu etki o kadar küçüktür ki, günlük deneyimlerimizden tamamen sıyrılır. Öyle ki geleneksel bir tartı / terazi onu algılayamaz. Ancak Heidelberg’deki Max Planck Nükleer Fizik Enstitüsü’nde yapabilecek bir tartı var: Pentatrap.
İçindeki bir elektron bir kuantum sıçraması yoluyla enerjiyi emdiğinde veya serbest bıraktığında, tek bir atomun kütlesindeki küçük değişimi ölçebilir, böylece hassas fizik için yeni bir dünya açar. Atomların elektron kabuklarındaki bu tür kuantum sıçramaları, hayat veren fotosentezde ve genel kimyasal reaksiyonlarda veya renk oluşumunda ve vizyonumuzda dünyamızı şekillendirir.
Halihazırda Max Planck Nükleer Fizik Enstitüsü’nde doktora sonrası araştırmacı olan Rima Schüssler, 2014’te yüksek lisans tezini tamamladığından beri Pentatrap’ın geliştirilmesine yardımcı oldu. Renyumda, daha önce keşfedilmemiş özel özelliklere sahip bir elektronik kuantum durumu vardır. Schüssler, Pentatrap’ın bir renyum atomunun kütle değişimi yoluyla bir elektronun bu kuantum durumuna sıçramasını algılayabildiği hassasiyet derecesini açıklamak için aşağıdaki örneği kullandı: “Altı tonluk bir fili tartarak, 10 miligramlık bir karıncanın üzerinde süründüğünü belirleyebildik”.
Pentatrap, beş Penning tuzağından oluşuyor. Böyle bir tuzağın bir atomu tartabilmesi için elektriksel olarak yüklü olması (yani bir iyon olması) gerekiyor. Renyum ise 75 elektronunun 29’undan sıyrıldığı için oldukça yüklü. Bu, ölçümün doğruluğunu önemli ölçüde artırıyor. Tuzak, bu yüksek yüklü renyum iyonunu bir manyetik alan ve özel olarak şekillendirilmiş bir elektrik alanı kombinasyonu halinde yakalıyor. İçeride, karmaşık bir şekilde kendi içine bükülmüş dairesel bir yolda ilerliyor. Bu durum prensip olarak, havada dönmesine izin verilen bir halat üzerindeki bir top olarak düşünülebilir. Bu sabit bir kuvvetle yapılırsa, daha ağır bir top, daha hafif olandan daha yavaş döner.
Pentatrap’ta iki renyum iyonu üst üste dizilmiş tuzaklarda dönüşümlü olarak dönüyordu. Bir iyon enerji açısından en düşük kuantum durumundaydı. İkinci iyon üretildiğinde, bir elektron, enerji sağlayarak daha yüksek bir duruma rastgele uyarıldı. Depolanan enerji nedeniyle marjinal olarak daha ağır hale geldi ve bu nedenle ilk iyondan daha yavaş dolaştı. Pentatrap, zaman birimi başına devir sayısını tam olarak sayar. Devir sayısındaki fark, ağırlık artışını sağladı. Ekip, bu yöntemi kullanarak renyumda son derece uzun ömürlü bir kuantum durumu keşfetti. Yarı kararlıdır yani belirli bir yaşam süresinden sonra bozulur. Zoltán Harman ile Heidelberg Üniversitesi’nden Christoph H. Keitel ve Paris’teki Kastler Brossel Laboratuvarı liderliğindeki enstitüdeki teorisyenlerin hesaplamalarına göre bu 130 gündür. Kuantum halinin enerjisi de son teknoloji kuantum mekaniği yöntemlerini kullanan model hesaplamalarıyla oldukça uyumludur.
Yüksek yüklü iyonlardaki bu tür uyarılmış elektronik durumlar, Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ile iş birliği içinde Enstitü’deki José Crespo López-Urrutia’nın çalışma grubu tarafından araştırıldığı gibi temel araştırmalar ve gelecekteki atomik saatlerde olası uygulamalar için de ilginçtir. Onlar için renyumdaki yarı kararlı durum çeşitli nedenlerden dolayı çekici. Bunlardan ilki, uzun ömürlülüğü nedeniyle, atom çekirdeği etrafındaki elektronun keskin bir yörünge frekansına karşılık gelmesidir. İkincisi elektron, bu kuantum durumuna sıçramak için yumuşak X-ışını ışığı ile uyarılabilir. Prensipte, böyle bir saat daha hızlı ve dolayısıyla şu anki nesil optik atomik saatlerden daha doğru işleyebilir. Ancak PTB’de “Zaman ve Frekans” Departmanından sorumlu olan ve bu işe dahil olmayan Ekkehard Peik’e göre keşfin yeni nesil atomik saatler için uygun olup olmayacağını tahmin etmek için henüz çok erken.
Peik, bu tür yeni kuantum durumlarıyla çalışan atom saatlerinin ilk olarak temel araştırmalar için yeni bir test alanı sunabileceğini düşünüyor. Renyum iyonları karşılıklı olarak kalkan elektronlardan yoksun olduğundan, kalan elektronlar atom çekirdeğinin elektrik alanını özellikle güçlü bir şekilde hissederler. Bu nedenle elektronlar, çekirdek etrafında öylesine yüksek hızlarda yarışırlar ki, hareketleri Einstein’ın izafiyet teorisi kullanılarak tanımlanmalıdır. Yeni atom tartısı ile özel görelilik ve kuantum teorisinin bu teori tarafından tanımlandığı gibi etkileşip etkileşmediğini yüksek hassasiyetle test etmek de mümkün olacak.
Genel olarak, yeni atomik tartı, daha ağır atomların kuantum benzeri iç yaşamına harika bir erişim sağlıyor. Bunlar birçok parçacıktan- elektronlar, protonlar ve nötronlar – oluştukları için tam olarak hesaplanamaz. Teorik hesaplamalar için atomik modeller bu nedenle basitleştirmelere dayanıyor ve bunlar artık son derece doğru bir şekilde kontrol edilebiliyor. Bu tür atomları, yalnızca son derece zayıf yerçekimi kuvveti ile tespit edilebilen bilinmeyen parçacıkların araştırılmasında sonda olarak kullanmak mümkün olabilir. Bu karanlık madde, fiziğin en büyük çözülmemiş gizemlerinden biridir.