Atomlarda Spin Simetrisi’nin İlk Doğrudan Kanıtına Ulaşıldı!

Mükemmel simetrili elmasların göz kamaştırıcı nadide mücevherler olması gibi, kuantum dünyasının da bilimsel değeri yüksek bir simetri muhteşemliği var.

Kuramcı Ana Maria Rey ve deneyci Jun Ye’nin önderliğindeki JILA fizikçileri, bu egzotik kuantum fiziği kuramını doğrulayacak şekilde, atomların manyetik donanımlarında, ya da çekirdeksel “spinlerinde” diyelim, simetrinin ilk doğrudan kanıtını gözlemlediler. Bu gelişme süperiletkenlik (elektrik akımına direnç göstermeme) ya da dev manyetik direnç (bir manyetik alanın varlığında elektrik akımında ciddi değişiklik olması) gibi davranışlar sergileyen egzotik maddelerin taklit edilebilmesi ve daha iyi anlaşılması gibi pratik yararlar ortaya çıkarabilir.

Science Express’te anlatılana göre JILA’nın yaptığı bu keşfi, dünyanın en kusursuz ve kararlı atom saatinin özelliklerini ölçmek için kullanılan ultra-kararlı lazer mümkün kıldı. JILA, Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) ve Colorado Boulder Üniversitesi tarafından beraberce işletiliyor. JILA/NIST üyesi Jun Ye şöyle diyor:

Spin simetrisinin madde bilimi üzerinde çok güçlü bir etkisi var çünkü kuantum maddesinde beklenmedik davranışlara yol açabilir. Saatimiz bu kadar iyi olduğu için –gerçekten bu kadar iyi bir lazer- çok küçük enerji ölçeğinde olan bu etkileşimi ve altında yatan simetriyi derinlemesine inceleyebiliriz.

Kuantum simetrisini belgelendirmek için dünya genelinde yapılan araştırmalar önemli özelliklerin, çeşitli değiş tokuşlar, dönüşler ve yansımalara rağmen aynı kalıp kalmadığına bakar. Örneğin madde ve antimadde temelden simetri gösterir: Antimadde, pozitronların ve elektronların yüklerinin ters olmasını saymazsak birçok yönden normal madde gibi davranır.

Spin simetrisini tespit edebilmek için JILA araştırmacıları, lazer ışığı tarafından yakalanan 600 ila 3.000 stronsiyum atomundan yapılmış bir atom saati kullandılar. Stronsiyum atomları için manyetik davranışa yön veren 10 farklı çekirdeksel spin düzeni (açısal momentum da denebilir) mümkündür. Bir grup saat atomunda 10 durumun hepsinin rastgele bir dağılımı olur.

Araştırmacılar iki elektron enerji düzeyinde saatin “tikleri” olarak kullanılan atom etkileşimlerinin (çarpışmalarının) atomların çekirdeklerinin spin durumundan nasıl etkilendiğini analiz ettiler. Çoğu atomda elektronsal ve çekirdeksel spin durumları çiftliydi, dolayısıyla atom çarpışmaları hem elektronsal hem çekirdeksel durumlara bağlıydı. Fakat stronsiyumda, JILA ekibi bu çiftlenmenin çekirdeksel spin durumlarından bağımsız çarpışmalara yol açacak şekilde yok olduğunu öngördü ve bunu doğruladı.

Atom saatinde, tüm atomlar özdeş elektronsal durumlarda bulunmaya eğilim gösterir. JILA araştırmacıları çekirdeksel spinleri manipüle etmek için lazer ve manyetik alanları kullanarak, iki atom farklı çekirdeksel duruma sahip olduğunda, 10 durumdan hangisine sahip oldukları fark etmeksizin, aynı güçle etkileştiklerini (çarpıştıklarını) gözlemlediler. Öte yandan iki atom aynı çekirdeksel spin durumuna sahip olduğunda, o durumun ne olduğundan bağımsız olarak, çok daha zayıf etkileşiyordu. Jun Ye şöyle açıklıyor:

Burada spin simetrisi, atom etkileşimlerinin en temel düzeyde çekirdeksel spin durumlarından bağımsız olduğu anlamına geliyor. Öte yandan bunu ilginç hale getiren kısım ise çekirdeksel spinin, elektronların aracılık yaptığı değiş tokuş sürecinde doğrudan yer almaması; o hala atomların birbirine fiziksel olarak nasıl yaklaşacağını kontrol ediyor. Bu da şu demek, iki atomun çekirdek spinlerinin aynı ya da farklı olmasını kontrol ederek, etkileşimleri, ya da çarpışmaları diyelim, kontrol edebiliriz.

Yeni araştırma, atom saatlerindeki atom çarpışmalarını anlamamızı sağlayan önceki JILA çalışmalarına bir şeyler katıyor. Büyük atom gruplarının tuhaf kuantum dinamiklerini keşfetmek için daha fazla araştırma yapılarak özel spin koşullarının derinine inilmesi planlanıyor. 

JILA kuramcısı Ana Maria Rey bu çalışma için önemli öngörüleri ve hesaplamaları yaptı. Avusturya’daki Innsbruck Üniversitesi ve Delaware Üniversitesindeki kuramcılar da katkıda bulundu. Finansman NIST, Ulusal Bilim Kuruluşu, Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Bürosu ve Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı tarafından sağlandı.