Bose-Einstein yoğunlaşması (BEC) , ilk kez 1995 yılında rubidyum, sodyum ve lityum alkali atomlarında gözlemlendi. BEC, makroskobik kuantum sistemini çalışma olanağı sağlayan seyreltik gaz olayıdır. Navigasyon sistemleri, atomik etkileşim çalışmaları, atomik saatler, kuantum hesaplama gibi çoğu uygulamalı alanlarda yoğunlaşması için beklenmektedir.
Bir atomik gazda yoğunlaşma fikri, ilk kez 1920’ ler de Satyendra Nath Bose ve Albert Einstein tarafından ortaya atıldı. Bose, fotonları saymak için Bose istatistiği denilen yeni bir yaklaşımı henüz geliştirmiş ve Einstein’ a konu üzerine makalesini göndermişti. Bose’ nin fikirlerinin tam sayılı spin sistemlerine uygulanabileceğini fark ederek, Einstein bozonik atom gazlarını düşündü. Einstein, atom grubunun sonlu bir kesri en düşük enerji durumuna girdiğinde, bir kritik sıcaklık altında sistemin enerjisinin minimize olduğunu buldu.
Elde edilen “yoğunlaşma” heyecan verici yeni özelliklere sahip, maddenin yeni bir durumu olarak tanımlanır. BEC, özdeş ve çok düzenli parçacıkları meydana getirdiğinden dolayı lazer ışınına benzer madde olarak düşünülebilir. BEC, atom gruplarının tamamının parçacıklar yerine dalgalar gibi davranan makroskobik kuantum olayıdır. Yoğunlaşma sırasında atomik de Broglie dalga boyu meydana gelir ve parçacıklar arası boşluk kıyaslanabileceğinden de Broglie dalga boyu
ile tanımlanır. Yukarıdaki denklemde görüldüğü gibi de Broglie dalga boyunda, atomik bulut azaldığı için sıcaklık artar. De Broglie dalga boyu yoğunlaşma sıcaklıklarında (en az 1μK) mikrometre ölçeğinde artarken, oda sıcaklığında (yaklaşık 300K) de Broglie dalga boyu pikometre ölçeğindedir. Yoğunlaşma işlemi için kritik sıcaklık atomik bulutun yoğunluğuna bağlıdır ki bu her deneyde değişir. De Broglie dalga boyu bir küp içinde bulunan parçacıkların sayısı olarak tanımlaır. Bu, bir örneğin faz uzayı yoğunluğunu tartışmak için genellikle daha uygundur. Faz uzayı yoğunluğu 2.612’ den büyük olduğunda yoğunlaşma meydana gelir. Bu şart, uzaysal yoğunluğu eş zamanlı artarken bulutun sıcaklığı düşürülerek elde edilir. Bose ve Einstein yaklaşık 1924’ e kadar BEC için teorik zeminin çoğunu ortaya koymasına rağmen, ilk yoğunlaşmalar 1995’ e kadar gözlemlenemedi. Bir yoğunlaşma işlemini gerçekleştirmek için gayret sarfedilecek çok teknik engeller vardır ve deneysel fizikçiler BEC gözlemini gerçekleştirmeden önce atomların bir örneğini soğutmak ve sınırlamak için yeni yöntemler geliştirmek zorunda kaldılar.
Geçerli Deney: BEC Girişim Ölçümü
Bu deney 2001 yılında boş bir laboratuvarda başladı. Amaç Bose-Einstein yoğunlaşmaları için bir girişim ölçer geliştirmekti. Diğer deneylerde bu amaç için mikro tuzaklar kullanılırken, bu deneyde konvansiyonel boyutlu tuzaklar kullanıldı. Bu deneyde zayıf bir sınırlandırıcı alan kullanılması umut ediliyordu. Atom dalga klavuzu (veya frekans yönlendiricisi), daha önceki gözlemden daha büyük etkileşim için girişim ölçümleri yapabilecekti.
Çalışmalar iki kısıma ayrıldı, ilk çalışma Bose-Einstein yoğunlaşmalarını üretmekti. Daha sonradan, girişim ölçümü için dalga klavuzundaki ( frekans yönlendiricisi) buharlaşmaları tanımlamaya yoğunlaşılacaktı. BEC’ yi oluşturmak, “Bose-Einstein yoğunlaşması yaratmak için Basitleştirilmiş sistem” makalesinde (J.Low Temp.Phys.132,309-367, 2003) Lewandowski ve diğerleri tarafından tanımlanan metod üzerine çalışmalar modellenmiştir. Bir manyeto-optik tuzak (MOT) oluşturmak için anti-Helmholtz bobinlerinin bir çifti ve Ti-Sapphire lazer kullanımı ile bir vakum odasında düzeneğin kurulmasına başlanıldı. Aşağıdaki şekil MOT’ un üstten bir görünüşüdür. Kırmızı oklar gözlem hattı boyunca üçüncü ışın çiftleri ile lazer ışınlarını gösterir. Manyetik alan bobini odanın üzerindedir ve ikincisi doğrudan aşağıdadır.
Lazer ışınlarının tüm 3 çiftinin tamamı manyetik alan bobinlerinin merkezinde kesişir. Burası MOT’ un oluşturulduğu yerdir. Son olarak, sadece manyetik tuzakta buharlaşmalar yapılacaktır. MOT’ dan manyetik alan tuzağına atomları yüklemek için, ara aşamalar olarak optik pompalama ve basınçlı MOT (CMOT) kullanılmıştır. Bu işlemler sonucunda kamera aşağıdaki görüntüleri yakalamıştır:
CMOT MOT
Manyetik alan tuzağı
MOT, 800μK’ de yaklaşık 3x atom içerir ve birkaç milimetre genişliğindedir. CMOT, neredeyse tüm MOT grubunu muhafaza eder, ancak 400μK’ e kadar sıcaklığı düşürür. Son olarak, sıcaklık tekrar 900μ’ e kadar arttırılırken atomda, manyetik tuzak ilk MOT grubunun üçte ikisini tutar.
Bir yoğunlaşma yapmak için atomları tuzaklayıp soğutmak gerekir. Ancak, bu çalışma süreci için daha yüksek bir vakuma ihtiyaç vardır. Bu yüzden, yaklaşık torr basınç ile ikinci bir vakum odasına atomlar aktarılır. İlk diyagramın alt kısmı vakum odalarının ekseklerinden aşağı bakıldığında görüldüğü gibi bobin montaj sistemini gösterir. Manyetik alan bobinleri ilk vakum odasının altında ve üstünde süspansiyona alınmış ve alüminyum destekli kuleye monte edilmiştir. Kule montaj plakasına sabitlenmiştir. Montaj plakası çeviri aracına güvenli bir şekilde monte ekilmiştir. İkinci diyagram hem vakum odalarının hemde çeviri parçasının üstten bir görünüşüdür. Motor tüm manyetik tuzağı bilim hücresine yönlendirir ve manyetik tuzak içine yüklenip sol odadaki MOT’ a tuzaklanır. Atomlar 2 saniyelik bir süre içinde toplamda yaklaşık 500mm hareket eder.
Atomlar bilim hücresi içine konumlanır konumlanmaz , bulut popülasyonu 900μK sıcaklığı ile yaklaşık atomdur. Elde edilen faz uzayı yoğunluğu dir. BEC’ yi gözlemlemek için faz uzay yoğunluğu yaklaşık iki olmalıdır, bu yüzden, bulutun buharlaştırarak soğutmayı kullanarak sıkıştırılır ve soğutulur. Aşağıdaki şekil taban durumunda Zeeman alt seviyelerinin üçü ile buharlaştırarak soğutmayı gösteriyor. Buharlaştırarak soğutma, Zeeman yarılması tuzağın merkezinden uzaklığı ile artsın diye homojen olmayan bir manyetik alan varlığında uygulanmıştır. Doğru uzaklıkta Zeeman etkisi RF ışıması ile rezonansdaki m-sevileri arasındaki bir enerji geçişine neden olur (iki yeşil ok ile gösterilmiştir). Bu konumda bir atom, örneğin m=+1 seviyesinden m=0 seviyesine geçiş yapacaktır.
Şekilde görüldüğü gibi atomlar enerjilerine göre tuzağa yerleşirler ve bu enerjiler Boltzmann dağılımı ile ifade edilir. En çok enerjili atomlar ( şekildeki kırmızı renkli noktalar) daha az enerjili ( şekildeki mavi renkli noktalar) atomlardan tuzağın merkezinden daha ileri hareket edebilir ve RF alanı ile etkileşme olasılığı daha yüksektir. Bu nedenle buharlaştırarak soğutma daha soğuk, daha yogun bulutu geride bırakarak en çok enerjili atomları kaldırır. Daha sonra atomlar daha düşük bir ortalama enerjide başka bir Boltzmann dağılımı oluşturup ısıl dengeye ulaşır ve çarpışırlar. Boltzmann dağılımının yüksek enerjili kısmı bulutun toplam enerjinin oransız paylaşımını içerir, bu yüzden birkaç sıcak atomun koparılması bulutun ortalama enerjisini önemli ölçüde etkileyebilir. RF alanının frekansı git gide azaltılarak Bose-Einstain yoğunlaşması oluşturulana kadar sıcaklık düşürülebilir.
Sonraki görüntüler yoğunlaşmanın oluşumunu gösterir. RF alanının frekansı her aşamada not edilir. İlk görüntü termal olarak dağılmış atomlar ile soğuk bir bulutu (yaklaşık 1μK) gösterir. Sıcaklık düşürüldükçe yoğunlaşma, ortada görüntüde karanlık merkezi nokta ile belirtildiği gibi oluşmaya başlar. Buharlaşmayan kısım hala önemlidir. Sıcaklık daha da düşürüldüğünde üçüncü görüntüde görüldüğü gibi daha çok atom yoğunlaşmaya katılır.
Aşağıdaki renkli görüntüler önceki resimler için yoğunluk çizimlerini gösterir. Tekrar RF alanı frekansı her aşamada not edilir. İlk yoğunlaşmalar 4 mayıs 2004 yılında yapılmıştır.
Kaynak: http://galileo.phys.virginia.edu/research/groups/sackett/research.html
