Bilim insanları ilk kez 10 kg ağırlığında büyük bir cisim olan LIGO interferometresinin 4 aynasını 77 nanokelvine kadar(-273.15 C) ye kadar soğutarak kuantum(hareketsel) temel hale getirmeyi başardı.
Evrendeki bütün madde titreşen parçacıklardan oluşur. Fakat bu parçacıkları mutlak sıfıra yakın derecelere kadar soğutursanız, madde kuantum temel haline döner. İşte fizikçiler cisimleri temel hale getirerek, kuantum mekaniği ve kuantum kütle çekimi testlerini yapıyor. Daha öncesinde nano ölçekte yapılan bu deneyler ilk kez LIGO’nun hareketini gerçekleştiren 4 ayna üstünde yapıldı. Bu optomekanik osilatörün efektif kütlesi 10 kg kadar geliyor.
Bu yeni çalışma kuantum dünyasına yeni bir bakış açısı sunuyor. “İlk kez kg boyutunda kuantum halinin nasıl oluşturulabileceğini gösterdik. Bu deneysel çalışma büyük kuantum objelerinde kütleçekiminin nasıl etkileneceğini ortaya koyuyor, yani bugüne kadar sadece rüya olan bir olayı,” diyor MIT’den makine mühendisi Vivishek Sudhir.
Atom bulutlarını temel hale getirmek için soğutmak oldukça zor. Çünkü her atomu soğutmak için gerekli olan kuvveti bilmelisiniz. Eğer yeterince soğutmazsanız, atomlar yeterince yavaşlamayacağından, atomların titreşimlerinin yönünü ve gerçek enerji seviyesini bilmeniz gerekiyor ki, atomlara uygun durdurma kuvvetini uygulayabilesiniz.
Besleme(feedback) soğutması adı verilen teknik küçük atom gruplarını izole ederek soğutarak, interferansı azaltmak daha kolaydır. Fakat bu kadar büyük nesnede interferansı kontrol etmek çok daha zordur.
LIGO hareketi ölçmek için en hassas cihazlardan biridir. LIGO milyarlarca yıl önce çarpışmış devasa objelerin ürettiği minicik uzay-zaman dalgalanmalarını ölçmek için tasarlanmıştır.
L şeklinde bir vakum odası içeren sistem, iki 4 km’lik tünelden lazer ışınlarını, ışın bölücüyle tünelin sonundaki 4 aynaya yollar. Eğer uzay-zamanda dalgalanma olursa bu ışık bozunuma uğrar ve interferans üreterek, bilim insanlarının çözebileceği bir sebep üretir. Cihaz o kadar hassas ki, 10-19 metredeki (tek protonun genişliği) değişimi tespit edebiliyor.
Her LIGO’nun 4 adet, 40 kg’lık aynası askıda duruyor ve hareketteki toplam ölçüm osilatörü oluşturuyor. Bu aynaların ayarı sayesinde 160 kg’lık ağırlık etkin bir şekilde 10 kg’lık tek bir nesnenin ağırlığına dönüşüyor.
“LIGO 40 kg’lık 4 aynanın ortak hareketini ölçmek için tasarlandı. Bu kütlelerin ortak hareketini haritaladığınızda, ortak hareket 10 kg’lık nesnenin hareketine dönüşüyor,” diyor Sudhir.
Araştırma ekibi, bu osilatörün hareketini hassas bir şekilde ölçerek, hareket halindeki temel durumunu indüklemek için gereken geri besleme soğutma oranını tam olarak bulmayı umuyordu. Sonra bu tekniği uyguladı.
Maalesef bu denklemdeki rastgeleliğin derecesi çok büyük çıktı ve aynaların atomları için gereken enerjiyi tahmin etmek zorlaştı.
İşte bunun için araştırma ekibi, daha önceki çarpışmalardaki her bir protonu aktivitesini zekice tahmin ederek ,sürekli olarak doğru kuvvetlerin nasıl uygulanacağına ve soğumaya nasıl ulaşılacağına dair daha kesin bir harita oluşturdu.
Sonrasında aynaların arkasına iliştirilen elektromıknatısların kuvvetini ölçtü.
İşte o an işe yaradı. Osilatör nerdeyse tümüyle çalışmayı durdurdu. Geri kalan enerji 77 nanokelvine(-273.15 C) denkti. Hareketsel temel hal 10 nanokelvinde oluşuyor , yani bu sonuç nano temel hal çalışmalarına gerçekten çok yakın.
Bu araştırma çok heyecan verici olasılıklar doğuracak. Bu sayede makro boyuttaki cisimlerde kuantum fenomeni ölçümleri ve hatta uygulamaları aynı anda yapılabilir.
Araştırma Science dergisinde yayınlandı.
