Bose-Einstein yoğunlaşması

Gross-Pitaevskii haricindeki modeller

BEC’nin Gross-Pitaeyskii modeli BEC’nin belirli sınıfları için geçerli olan fiziksel bir yaklaşımdır. Yapı itibarıyla, GPE şu basitleştirmeyi kullanmaktadır: GPE, yoğun parçacıklar arasındaki etkileşimlerin iki “body” tipinden kaynaklandığını farz eder ve serbest enerjinin büyük katkısını yok sayar. Bu varsayımlar genellikle seyreltilmiş 3 boyutlu yoğuşuklar için uygundur. Eğer bu varsayımlardan biri olmazsa, yoğuşuk dalga fonksiyonu (wavefunction) yüksek dereceli terimler içerir. Hatta bazı fiziksel sistemler için terim miktarı sonsuza kadar gider ve denklem polinom olmaz. Bu durumun meydana geldiği örnekler: Bose-Fermi birleşik yoğuşuklar, etkili düşük boyutlu yoğuşuklar, yoğun yoğuşuklar ve süper akışkan/süper sıvı (mutlak sıfırın bir derece üstündeki sıvı hali)  kabuklar ve damlacıklar.
Keşif 1938 yılında, Pyotr Kapitsa, John Allen ve Don Misener, süper akışkan olarak bilinen ve 2.17 Kelvin’den düşük sıcaklıktaki helium-4’ü keşfettiler. Süper akışkan helium, sıfır adalılık ve sayısal girdap (quantized vortices) gibi olağan dışı birçok özellik içerir. Öncelikle, süper akışkanlığın sıvının kısmi Bose-Einstein yoğunluğundan dolayı olduğuna inanıldı. Aslında süper akışkan helyumun çoğu özelliği Cornell, Wieman ve Ketterle tarafından oluşturulan gazlı Bose-Einstein yoğuşuklarında görülmektedir. Süper akışkan helium-4 gazdan ziyade sıvıdır. Yani atomlar arasındaki etkileşimler göreceli olarak güçlüdür: Bose-Einstein’ının yoğunlaşma teorisi Süper akışkan helium-4’ü tanımlamak için ciddi şekilde değiştirilmelidir. Ayrıca bozon yerine fermiyum içeren helium-3, düşük sıcaklıkta süper akışkan hale geçer. Bu durum 2 atomlu bozonik “Cooper çifti” biçimlenme ile açıklanabilir.
İlk saf Bose-Einstein yoğuşuğu 5 Haziran 1995 yılında Eric Cornell, Carl Wieman ve JILA daki meslektaşları tarafından oluşturuldu. Bu çalışmayı lazer soğutucu ve manyetik buharlaşmalı soğutucu kullanarak, 170 NK dan düşük yaklaşık 2 bin rubidiım-87 atomu içeren seyreltilmiş buharı soğutarak yapmışlardır. 4 ay sonra MİT’ten Wolfgang Ketterle sodium-23 den yapılmış bir yoğuşkanı oluşturdu. Ketterle’nin yoğuşkanı yaklaşık 100 kat daha fazla atom içerir. Bu durum ona 2 farklı yoğunlaşma arasında kuantum mekanik etkileşiminin gözlemlenmesi gibi önemli sonuçlar sağlar. Cornell, Wieman ve Ketterle başarıları için 2001 yılında Nobel Fizik Ödülü’nü kazanmışlardır. JILA çalışmasından bir ay sonra Rice Üniversitesinde, Randall Hulet önderliğindeki bir grup Lithium atomlarının yoğuşuğu oluşturduklarını duyurmuşlardır. Lithium, yoğuşuğu duraksız olmasına ve atomların çarpışmasına neden olan ilginç etkileşimler göstermektedir.  Hulet ve meslektaşları, bir sonraki denemede yoğuşuğu yaklaşık 1000 atoma kadar kuantum basıncı ile dengelenebileceğini göstermiştir.                 
Bose-Einstein yoğunlaşması ayrıca katılarda sanki parçacıklara uygulanabilir. Antiferromagnetteki bir magnon “dönme 1” taşır ve Bose-Einstein statiğine uyar. Magnonların yoğunlukları, dış manyetik alanı tarafından kontrol edilir. Bu teknik, Bose sıvısıyla güçlü bir etkileşime giren seyreltilmiş Bose gazından geniş aralıkta bozon yoğunluklarına ulaşabilmeyi sağlar. Yoğunlaşma noktasında gözlemlenen manyetik sıralanma süper akışkanlık analoğudur. 1999 da magnonların Bose yoğunlaşması antiferromagnet Tl Cu Cl3 içerisinde gösterilmiştir. Yoğunlaşma 14 K kadar yüksek sıcaklıklarda gözlenmiştir. Yüksek sıcaklığa geçişin nedeni magnonların daha yüksek yoğunlukta ve daha küçük kütlede olmasıdır. 2006 yılında, ferromagnetlerdeki magnonların yoğunlaşması oda sıcaklığında gösterilmiştir.

Hız Dağılımı Grafiği

Bu makaleye eşlik eden figürde, hız dağılım bilgisi gaz halindeki rubidyum atomlarının Bose-Einstein yoğuşuğu oluşturmasını işaret eder. Sahte renkler her hızdaki atomların sayılarını belirtir (kırmızı en az sayıda, beyaz en çok sayıda).  Beyaz ve açık mavi renkleriyle görülen alanlar en düşük hızları temsil eder. Zirve Heisenberg belirsizlik prensibinden dolayı sonsuz değildir; Atomlar boşlukta belirli bir alanda sıkışmadığı sürece hız dağılımları belirli bir minimum genişliktedir. Bu genişlik manyetik sıkışma potansiyelin eğriliği tarafından belirlenir. Daha sıkıca kapatılmış yönler daha büyük genişlikte hız dağılımlarına sahiptir. Bu anizotropinin sağdaki zirvesi saf kuantum-mekaniği etkisidir ve soldaki normal dağılımda bulunmaz. Bu grafik 1999 da  Ralph Baierlein tarafından yazılan Thermal Physics [24] kitabının kapağında kullanılmıştır.

Çekici Etkileşimler

1995-2000 yılları arasında Rice Üniversitesi'nde Randall Hulet liderliğindeki deneyler, çekici etkileşimler ile lityum yoğuşukların sadece belirli bir kritik atom numarasına kadar sabit var olabileceğini gösterdi. Bu kritik katsayının ötesinde,  çekimin maksimum olduğu sıfır noktasındaki harmonik hapsolmuş potansiyel enerji, süpernova patlamasını anımsatan yoğuşmuş enerjinin patlamasıyla çökmelere neden olur. Lityum atomlarının su ile soğutulmuş gazlarından, birinci yoğunlaşma büyümesi gözlemlenmiştir ve kritik atom numarasının aşılmasıyla da ani bir çöküş görülmüştür.              
Cornell, Wieman ve çalışma arkadaşlarının oluşturduğu JILA takımı 2000 yılında çekim yoğunlaşmaları ile ilgili daha ileri bilgiye ulaşmışlardır. Orijinal olarak anisotop (atomları birbirini iten) rubidyum 87 atomunu daha sabit yoğunlaşma oluşturmak için kullanmışlardır. Cornell ve arkadaşları yaptıkları çalışmaları daha da ilerleterek doğal çekim atomlarından diğer bir rubidyum izotopu olan ribidium-85 ile çalımalar yapmıştır (negatif atom ve atom dağılım uzunlukları). Karakteristikleri azaltan, Rb-85 atomlarını itici ve sabit yoğunlaşmalı bir hale getiren moleküllerin rubidyum atomları ile bağladığı zamanlardaki kesintili enerjilerinin, döngüsel çevrimli çarpışmalara neden olan manyetik alan yayılımı içeren Prosese Feshbach Rezonansı denir. Çekimden itime doğru olan tersine çevrimden dalga gibi hareket eden yoğunlaşma atomları arasındaki kuantum girişimini engellemektedir.
JILA takımı manyetik alan kuvvetini arttırdığında yoğunlaşma tekrar ilgi çekmeye, genişlemeye ve büzülmeye başlar ve daha sonra 10,000 kadar atomlarının yaklaşık üçte ikisini kovarak patlar. Yoğunlaşmasının içindeki atomların yaklaşık yarısı yapılan deneylerden dolayı kaybolmuş olarak görülürken soğuk kalıntısı veya genişleyen gaz bulutu görülmez. Carl Wieman mevcut atom teorisi altında Bose-Einstein yoğunlaşması açıklayamadı çünkü mutlak sıfıra yakın bir atomun enerjisi durumu iç patlama için yeterli değildir. Bu yüzden sonraki alan teorilerinde bunu açıklamayı hedeflemiştir. Kaybolan atomlar neredeyse hala başka şekillerde varlığını sürdürüyor ama ancak deneylerle gözlemlenebiliyor. Büyük olasılıkla onlar iki bağlanmış rubidyum atomlardan oluşan molekülleri oluşturdu ve bu geçişi yaparak kazanılan enerji onların tespit edilmeden kaçmaları için yeterli bir hız kazandırdı.

Güncel araştırmalar

Maddenin daha sık karşılaşılan durumlara kıyasla, Bose-Einstein yoğunlaşmaları son derece kırılgandır. Dış dünya ile en ufak bir etkileşim onların ilginç özelliklerini ortadan kaldırılmasına ve normal oluşturan gazların yoğunlaşma eşiği geçmesine neden olur ve bu onları ısıtmak için yeterli olur.
Yine de, temel fizik soruları geniş bir yelpazede keşfetmenin yararları kanıtlanmış ve JILA ve MİT gruplar tarafından yapılan ilk keşifler sayesinde deneysel ve teorik faaliyet patlamalarını gördük. Örnekler ikiliği-parçacığa dalga nedeniyle yoğuşukların arasındaki girişimi gösteren deneylerini içerir, süper akışkanlık ve belirli dereceye kadar enerji içeren girdapların, tek boyutla sınırlı Bose yoğuşuklarında gelen aydınlık dalga solitonların oluşturulmasına ve ışık bakliyat yavaşlamasının elektromanyetik kaynaklı şeffaflık kullanılarak düşük hızları ölçmesine olanak sağlar. Uzmanlar   "optik menfezler" ile örtüşen lazerlerden gelen girişim deseniyle yoğuşuk için bir periyodik potansiyel sağlamaktadır. Bunlar süper iletkende ve bir Mott yalıtıcı arasındaki geçişi araştırmak ve Örnek Tonks-Girardeau gaz için, daha az üç boyutta Bose-Einstein yoğunlaşma incelenmesinde yararlı olarak kullanılmıştır.           
Bose Einstein yoğunlaşması üretilen geniş aralıklı izotoplardan oluşur.            
İlk moleküler Bose-Einstein yoğunlaşması MIT'de Innsbruck Üniversitesinde ve Boulder Colorado Üniversitesi'nde Deborah S. Jin ve Wolfgang Ketterle Rudolf Grimm grupları tarafından 2003 yılının Kasım ayında kuruldu. Jin-Cooper çiftinden oluşan ilk fermiyonik BEC oluşturmak için hızla gitti.               
1999 yılında, Danimarkalı fizikçi Lene Hau yaklaşık 17 saniyede metre başına bir ışık demetini yavaşlatmayı başardı ve Harvard Üniversitesi'nden bir ekip açtı. Bunu süper akışkan kullanarak elde etmeyi başardı. Hau ve o Harvard Üniversitesi’nde bulunan ortaklarıyla başarılı bir "ışık darbe" yoğuşukları atom grubunu geri tepme yaptırabilmişlerdir.

İzotoplar

Etkisi ağırlıklı olarak nükleer özellikli tuzaklar için alkali atomları üzerinde gözlenme yapılmıştır. 2012 yılı itibarıyla, ultra-düşük sıcaklık olan 10⁻⁷ K ya da daha altı kullanılarak, Bose-Einstein yoğuşukları, yoğun ağırlıklı alkali, toprak alkali ve lantan atomları için elde edilir  (⁷Li, ²³Na, ³⁹K, ⁴¹K, ⁸⁵Rb , ⁸⁷Rb, ¹³³Cs, ⁵²Cr, ⁴⁰Ca, ⁸⁴Sr, ⁸⁶Sr, ⁸⁸Sr, ¹⁷⁴Yb, ¹⁶⁴Dy, ve ¹⁶⁸Er). Yoğunlaşma araştırmaları daha da özel yöntemler yardımı ve hidrojen ile en sonunda başarı elde etmiştir.
===Bose-Einstein yoğunlaşması===bozonlardan oluşan maddelerin mutlak sıfır sıcaklığına çok yakın değerlere kadar soğutulmasıyla ortaya çıkan maddenin bir halidir. Bu süpersoğutulmuş maddede atomların büyük çoğunluğu en düşük kuantum durumlarına çöker ve böylece makroskopik skalada kuantum etkileri göstermeye başlar.
Maddenin bu hali, Satyendra Nath Bose'un yaptığı çalışmalar üzerine 1925'te Albert Einstein tarafından kuantum mekaniğinin bir sonucu olarak tahmin edilmişti. Yetmiş yıl sonra 1995te ilk yoğunlaşma Eric Cornell ve Carl Wieman tarafından Colorado Üniversitesi NIST-JILA laboratuvarında rubidyum gazını 170 nanoKelvin'e (nK) soğutarak elde edildi. Cornell, Wieman ve MIT'den Wolfgang Ketterle bu deneyle 2001 Nobel Fizik Ödülü paylaştılar.