Uluslararası Uzay İstasyonu'nda madde-dalga interferometrisi yoluyla kuantum algılama, evren hakkındaki bilgimizi genişletebilir

[™ Admin]

Uluslararası Uzay İstasyonu'nda madde-dalga interferometrisi yoluyla kuantum algılama, evren hakkındaki bilgimizi genişletebilir

Gelecekteki uzay görevleri, evreni yöneten fizik yasalarını anlamamıza, diğer gezegenlerin ve uydularının bileşimini keşfetmemize, açıklanamayan kozmolojik olaylara dair içgörüler elde etmemize veya Dünya'daki yer altı su katmanlarındaki buz tabakasının kalınlığını ve su miktarını izlememize yardımcı olmak için kuantum teknolojilerini kullanabilir.

Uluslararası Uzay İstasyonu'nda türünün ilk örneği olan NASA'nın Soğuk Atom Laboratuvarı (CAL), ultra soğuk atomların kuantum özelliklerine dayalı bir dizi öncü deney gerçekleştirdi. Bu deneyleri gerçekleştirmek için kullanılan araca atom interferometresi adı verilir ve yerçekimini, manyetik alanları ve diğer kuvvetleri hassas bir şekilde ölçebilir.

Atom interferometreleri şu anda Dünya'da yerçekiminin temel doğasını incelemek için kullanılıyor ve ayrıca uçak ve gemi navigasyonuna yardımcı olmak için geliştiriliyor, ancak uzayda bir atom interferometresinin kullanılması yenilikçi bilim yeteneklerini mümkün kılacaktır.

Fizikçiler, hem uzay bilimi için yeni ölçümler sağlamak hem de uzayda bulunan uzun serbest düşüş koşullarından yararlanmak için uzayda atom interferometrisi uygulamaya istekliydiler. Bu, araştırmacıların bu kuantum sensörlerinden benzeri görülmemiş bir performans elde etmelerini sağlayabilir.

Ancak bu interferometreler son derece hassas ekipman gerektirir ve daha önce el değmeden uzun süreler boyunca işlev görmeyecek kadar kırılgan kabul ediliyorlardı. Dünya'dan uzaktan çalıştırılan Soğuk Atom Laboratuvarı, artık uzayda atom interferometrisi yapmanın mümkün olduğunu gösterdi. CAL Bilim Ekibi, bu deneysel dönüm noktalarını belgeleyen şu ana kadar iki makale yayınladı.

Kasım 2023 Nature sayısında yayınlanan ilk çalışmanın sonuçları, uzayda ilk kez hem rubidyum hem de potasyum kuantum gazlarıyla eş zamanlı atom interferometrisinin gösterilmesini açıkladı. Çift türlü atom interferometresi, yalnızca Dünya yörüngesinde atom interferometrisinin sağlam ve tekrarlanabilir çalışmasını sergilemekle kalmadı, aynı zamanda Einstein'ın genel görelilik teorisinin temel ilkelerinden biri olan serbest düşüşün evrenselliğini test etmek için kuantum gazlarını kullanmayı amaçlayan gelecekteki deneyler için bir yol gösterici görevi gördü.

Nature Communications dergisinin Ağustos 2024 sayısında sonuçları yer alan ikinci çalışmada, bilim ekibi üyeleri uzay istasyonunun ince titreşimlerini ölçmek ve atom interferometre lazerinin frekansını uzaktan ölçmek için CAL atom interferometresini kullandılar; bu, ultra soğuk atomların uzaydaki çevredeki değişiklikleri tespit etmek için kullanıldığı ilk seferdi. Bu makalede ayrıca maddenin dalga benzeri yapısının uzayda şimdiye kadarki en uzun serbest düşüş süresi (saniyenin onda birinden fazla) boyunca devam ettiği gösterildi.

"Bu kilometre taşlarına ulaşmak inanılmaz derecede zordu ve başarımız her zaman garanti değildi," dedi Güney Kaliforniya'daki NASA Jet Propulsion Laboratuvarı'ndaki Soğuk Atom Laboratuvarı proje bilimcisi Jason Williams. "Bunu başarmak için ekibin özverisi ve macera duygusu gerekiyordu."

Yerçekimini yüksek hassasiyetle ölçebilen uzay tabanlı sensörlerin çok çeşitli potansiyel uygulamaları vardır. Güneş sistemimizdeki gezegenlerin ve uyduların bileşimini ortaya çıkarabilirler çünkü farklı malzemeler yerçekiminde ince değişiklikler yaratan farklı yoğunluklara sahiptir.

ABD-Almanya GRACE-FO (Yerçekimi Kurtarma ve İklim Deneyi Takip) görevi şu anda Dünya'daki su ve buzun hareketini izlemek için yerçekimindeki ufak değişiklikleri algılayan klasik sensörler kullanarak yerçekimi ölçümleri topluyor. Atom interferometrisi kullanan gelecekteki bir görev daha iyi hassasiyet ve kararlılık sağlayarak yüzey kütlesi değişiklikleri hakkında daha fazla ayrıntı ortaya çıkarabilir.

Yerçekiminin hassas ölçümleri ayrıca iki büyük kozmolojik gizem olan karanlık madde ve karanlık enerjinin doğasına dair içgörüler sunabilir. Karanlık madde evrenin yaklaşık %27'sini oluşturan görünmez bir maddedir; gezegenleri, yıldızları ve görebildiğimiz her şeyi oluşturan "normal" madde ise yalnızca %5'ini oluşturur. Karanlık enerji evrenin kalan %68'ini oluşturur ve evrenin hızlanan genişlemesinin itici gücüdür.

Virginia Üniversitesi profesörü ve Cold Atom Lab baş araştırmacısı Cass Sackett, "Atom interferometrisi ayrıca Einstein'ın genel görelilik teorisini yeni yollarla test etmek için de kullanılabilir" dedi. "Bu, evrenimizin büyük ölçekli yapısını açıklayan temel teoridir ve teorinin doğru bir şekilde anlamadığımız yönleri olduğunu biliyoruz. Bu teknoloji, bu boşlukları doldurmamıza ve içinde yaşadığımız gerçekliğin daha eksiksiz bir resmini vermemize yardımcı olabilir."

Bir mini buzdolabı büyüklüğünde olan Cold Atom Lab, 2018 yılında uzay istasyonuna fırlatıldı ve amacı, düşük Dünya yörüngesinin mikro yerçekimi ortamına uzun vadeli bir tesis yerleştirerek kuantum bilimini ilerletmekti. Laboratuvar, atomları neredeyse mutlak sıfıra veya eksi 459°F'ye (eksi 273°C) kadar soğutuyor.

Bu sıcaklıkta, bazı atomlar bir Bose-Einstein yoğunlaşması oluşturabilir; bu, tüm atomların esasen aynı kuantum kimliğini paylaştığı bir madde halidir. Sonuç olarak, atomların tipik olarak mikroskobik olan kuantum özelliklerinin bazıları makroskobik hale gelir ve bu da onları incelemeyi kolaylaştırır.

Kuantum özellikleri, atomların bazen katı nesneler gibi, bazen de dalgalar gibi davranmasına neden olabilir. Bilim insanları, maddenin yapı taşlarının bu kadar farklı fiziksel davranışlar arasında nasıl geçiş yapabildiğini henüz tam olarak anlamadılar; ancak cevaplar aramak için Cold Atom Lab'da bulunanlara benzer kuantum teknolojisini kullanıyorlar.

Mikro yerçekiminde, Bose-Einstein yoğunlaşmaları daha düşük sıcaklıklara ulaşabilir ve daha uzun süre var olabilir, bu da bilim insanlarına bunları incelemek için daha fazla fırsat verir. Atom interferometresi, atomların kuantum doğasını kullanarak hassas ölçümler sağlayan CAL tesisindeki birkaç araçtan biridir.

Dalga benzeri davranışı nedeniyle, tek bir atom aynı anda fiziksel olarak ayrı iki yolda seyahat edebilir. Bu dalgalar üzerinde yerçekimi veya diğer kuvvetler etki ediyorsa, bilim insanları dalgaların nasıl birleşip etkileşime girdiğini gözlemleyerek bu etkiyi ölçebilirler.

New York'taki Rochester Üniversitesi'nde profesör ve yukarıda alıntılanan çalışmalara ortak yazarlık yapan ABD ve Alman bilim insanlarından oluşan bir konsorsiyumun Cold Atom Lab baş araştırmacısı olan Nick Bigelow, "Uzay tabanlı atom interferometrisinin heyecan verici yeni keşiflere, günlük hayatı etkileyen fantastik kuantum teknolojilerine yol açacağını ve bizi kuantum bir geleceğe taşıyacağını bekliyorum" dedi.

Kaynak: Phys