Mutlak Sıfıra Yolculuk: Lazerle Soğutma Yöntemlerinin Gelişim Hikâyesi

StudioM1/iStock

Bir gazın lazer ışınlarıyla soğutulabilmesi, ilk bakışta şaşırtıcı gelir. Sonuçta lazerler, yoğun ışık demetleridir. Bir gazın üzerine lazer ışığı düşürüldüğünde enerji kaybedip soğumasını değil, enerji kazanıp ısınmasını beklersiniz. Ancak özel olarak hazırlanmış düzeneklerde lazer ışınları kullanılarak gazların sıcaklığını neredeyse mutlak sıfıra kadar düşürmek de mümkün.

Lazerle soğutma tekniklerinin geliştirilmesiyle atom fiziğinde yeni bir çağ başladı. En hassas atom saatlerinin geliştirilmesi, Bose-Einstein yoğuşuklarının elde edilmesi, lazerle soğutma teknikleri sayesinde mümkün oldu. Onlarca yıla yayılan deneysel ve kuramsal çalışmalar defalarca Nobel ödülleriyle onurlandırıldı.

Işık, Fotonlar, Enerji ve Momentum

Albert Einstein 1905 yılında ışık ışınlarının, daha sonraları foton olarak adlandırılacak, enerji paketleri içerdiğini öne sürmüştü. Einstein’ın, fotoelektrik olay (ışık ışınlarının atomlardan elektron koparması) ile ilgili deneysel verileri açıklamak için öne sürdüğü bu düşünce, kuantum fiziğinin gelişim aşamalarındaki ilk kuramsal çalışma oldu.

Bir atom, bir ışık ışınından foton soğurarak enerji kazanabilir. Örneğin, frekansı v olan bir ışık ışını ile bir atomun etkileştiğini düşünelim. Işındaki fotonların her biri, h Planck sabiti olmak üzere, hv büyüklüğünde enerji taşır.

Işık, foton olarak adlandırılan enerji paketlerinden oluşur.

Atom, ışık ışınından bir foton soğurduğunda atomun enerjisi hv kadar artar. Bu sırada bir elektron bulunduğu enerji seviyesinden daha yüksek enerjili bir seviyeye geçer. Atomlardaki enerji seviyeleri (orbitaller) süreksiz olduğu için elektronun ışık ışınından foton yakalayabilmesi için fotonların enerjisinin, orbitallerin enerjileri arasındaki farka eşit olması gerekir. Uyarılan atom, sahip olduğu fazladan enerjiyi bir süre sonra yeniden foton ya da fotonlar hâlinde geri yayar. Fotonlar sadece enerji değil, momentum da taşır. Bir fotonun enerjisi (E) ile momentumu (p) arasında, c ışık hızı olmak üzere, E=pc ilişkisi vardır. Dolayısıyla foton soğuran ya da yayan bir atomun sadece enerjisi değil, momentumu da değişir.

Optik ‘‘Cımbızlar’’: Parçacıkları Işıkla Yönlendirmek

Fotonların parçacıkları yönlendirebilmek için kullanılabileceği düşüncesi, Einstein’ın 1917’de fotonların da momentum taşıdığını fark etmesine kadar geri gider. Bu konuyla ilgili ilk deneylerse 1933 yılında Otto Frisch tarafından yapıldı. Frisch, sodyum-buhar lambasıyla ürettiği ışık ışınlarını kullanarak bir sodyum atom demetini 1 mm civarında saptırdı. Deneyler, ışık ışınlarının madde parçacıklarını yönlendirmek için kullanılabileceği düşüncesini doğrulasa da gözlemlenen etki çok küçüktü.

Lazerlerin 1960’larda icat edilmesinden sonraysa ışıkla madde parçacıklarını yönlendirme çalışmaları yeniden ivme kazandı. Bell Laboratuvarı çalışanlarından Arthur Ashkin, çeşitli kuramsal hesaplardan yararlanarak lazer ışınlarının mikroskobik nesneler üzerinde azımsanamayacak kuvvetler uygulayabileceğini fark etmişti. Bir argon lazeriyle su içindeki polistiren boncuklar üzerinde deneyler yapmaya başladı.

Devamını okumak için TÜBİTAK Yayınlar web sitesini ziyaret ederek abone olabilirsiniz.