U MMoolleekküülllleerriinnBBuuzz DDaannssıı

U

ZUN araştırmalar sonu-cunda fizikçiler atomları çok düşük derecelere so-ğutmanın yollarını geliş-tirdiler. Bu çalışmalar il-ginç ve heyecan verici, bazen de önce-den tahmin edilemeyen sonuçlar do-ğurdu. Atom interferometrisi, hassas spektroskopi, çok sayıda atomun tek bir atommuş gibi uygun hereket etme-sini sağlayan Bose-Einstein yoğuşması ve atom lazeri bunlar arasında. Deney-ciler aynı şeyi şimdi moleküller için yapmak istiyorlar. Moleküller atomlara göre daha karmaşık bir yapıya sahip ol-duklarından, soğutulmaları da atomlara oranla daha büyük zorluklar içeriyor. Tüm zorluklarına karşın bazı deneyci gruplar, molekülleri milikelvin sıcak-lıkların altına soğutarak, onları bir ka-pan içine kıstırıp manipüle etmenin yollarını arıyorlar. (1 Kelvin = -237°C)

Bu alandaki son gelişme Hollan-da'daki Nijmegen Üniversitesi, Plazma Fiziği Enstitüsü’ndeki bir grup araştır-macı tarafından gerçekleştirildi. Bu grup, molekülleri 350 milikelvin sı-caklığın altına soğutmayı ve onları tek bir kuantum düzeyinde, santimetre-küpte yaklaşık bir milyon molekül ola-cak yoğunlukta, bir kapan içine kıstır-mayı başardı.

Kıstırılmış moleküllerde ulaşılmak istenen üç amaç var: moleküllerin yer değiştirme hareketlerinden kaynakla-nan sıcaklıklarını milikelvinlerin altına düşürmek, çok sayıda molekülü soğut-mak ve molekülleri tek bir, tercihen en düşük enerjili dönme-titreşme duru-muna getirmek. En iyi yöntem tabii ki

bu üç amacı birden, herhangi bir mole-kül için başarabilecek olanı. Geçen bir-kaç yıl içinde araştırmacılar değişik yöntemler kullanarak bu üç amaçtan bazılarına ulaşma yönünde önemli me-safeler kaydettiler. Bir yöntem, alkali dimerleri (basit yapılı bir moleküle mo-nomer, birbirine eş iki molekül ya da monomerin biraraya gelerek oluşturdu-ğu moleküle dimer, çok sayıda eş ya da benzer monomerin bir araya gelmesiyle oluşan büyük moleküllere ise polimer adı verilir) milikelvin sıcaklıkların altı-na soğutmayı başarıyor. Ancak, yöntem bunu çok sayıda molekül için yapamı-yor ve molekülleri en düşük dönme-tit-reşme durumuna getiremiyor. Bir baş-ka yöntem, paramagnetik molekülleri en düşük dönme-titreşme durumuna getirirken, sıcaklığı birkaç yüz milikel-vinin altına indirmeyi başaramıyor. Hollandalı grupsa, elektrostatik bir yöntem kullanıyor. Bu yöntemle e l e k

t-rik dipol momenti yeterince büyük, bir

başka deyişle artı ve eksi yükleri yete-rince uzakta olan her molekülü en dü-şük dönme-titreşme durumuna getir-mek mümkün olacak gibi görünüyor.

Peki araştırmacılar molekülleri ne-den bu derece soğutmak istiyorlar? Molekülleri soğutmadaki amaçları, atomları soğutmadaki amaçlarından

farklı değil. Bunlardan biri hassas spektroskopi. Yeterince soğuk olmayan moleküllerde harekete (yer değiştirme, dönme ve titreşme) bağlı etkiler, mole-külün spektral çizgilerinin yeterince hassas ölçülmesini engelliyor. Bir baş-ka amaçsa, aşırı soğuk molekülleri çar-pıştırarak molekülün kuantum yapısı hakkında daha iyi bilgiler edinmek. Ayrıca aşırı soğuk moleküller kullana-rak temel parçacıkların elektrik dipol momentleri ile ilgili çalışmalar yapmak da mümkün. Bir başka olası araştırma alanıysa, molekülleri elektromanyetik alan aracılığıyla kontrol etmek ve yön-lendirmek. Tabii ki moleküllerin Bose-Einstein yoğuşumunu oluşturmak da amaçlar arasında. Bütün bunlardan da-ha çekici olansa, dada-ha önceden bilin-meyen ve tahmin edilebilin-meyen yepyeni olguların ortaya çıkma olasılığı.

Atomların kapana kıstırılmasındaki en önemli teknik, lazer yardımıyla so-ğutma oldu. Fakat moleküllerin enerji spektrumu atomlara göre çok daha kar-maşık olduğu için bu teknik molekül-leri soğutmada faydalı olmadı. Dolayı-sıyla, araştırmacılar molekülleri yavaş-latmak için başka yöntemler geliştir-mek durumunda kaldılar. Hollandalı grup, kutupsal yapısı olan molekülleri zaman içinde değişen ve homojen ol-mayan bir elektrik alanı kullanarak so-ğutmaya çalışıyor.

Elektrostatik

Yöntem

Hollandalı grubun molekülleri hem soğutmak hem de kapana kıstırmak için kullandığı yöntem, Stark etkisine dayanıyor. Stark etkisi, elektrik dipol momenti olan moleküllerin bir elektrik alanı ile etkileşmesi sonucunda enerji düzeylerinde meydana gelen kaymaya verilen ad.

Zaman içinde değişen bir elektrik alanında moleküllerin yavaşlamasının ilkeleri şekil 1’de verilmekte. Yavaşlatı-lacak moleküllerden oluşan bir atım, bir çift elektroda doğru yol alırken elektrodlar arasında bir elektrik alanı yaratılıyor. Elektrik dipol momentleri elektrik alanına ters yönde olan mole-küller, elektrik alanının daha az yoğun olduğu yerlere gitmek isterler. Bu da iki elektrodun ortasındaki alan yoğun-luğunun yüksek olduğu yere gitmekte 34 Bilim ve Teknik İyon detektörü lazer demeti dört kutuplu kapan stark yavaşlatıcısı altı kutup ayırıcı atım kaynağı

M

Mo

olleek

kü

ülllleerriin

n

B

Bu

uz

z D

Da

an

nssıı

olan moleküllerin kinetik enerji kaybe-dip yavaşlamalarına neden olur. Eğer elektrik alanı olduğu gibi kalırsa, mole-küller tekrar kinetik enerji kazanırlar; yani tekrar hızlanırlar. Bu yüzden de-neyciler, atım içindeki moleküller iki elektrodun merkezine yakın oldukları zaman; yani hızları en düşük olduğu anda elektrik alanını kapatırlar. Mole-küller böylece birinci elektrod çiftin-den bir miktar yavaşlamış olarak çıkar-lar. Aynı şey defalarca tekrarlanır. (Hol-landalı grubun yaptığı deneyde, yukarı-da anlatılan işlem 63 kere tekrarlanır.) Elektrik alanlarının zamanlaması, bu işlem için çok büyük bir önem taşır ve sadece önceden belirlenmiş bir enerji düzeyindeki moleküller elektrik alanı-nın açılıp kapanması ile aynı fazda ola-caklardır. Dolayısıyla, işlem sonunda sadece istenen enerji düzeyindeki mo-leküller elde edilmiş olacaklardır.

Elektrostatik basamaklar sırasıyla açılıp kapanacakları için moleküllerin sürekli değil atım olarak gönderilmesi gerekir.

Hollandalı grup geçen sene, geliş-tirdikleri bu Stark yavaşlatıcısını kulla-narak karbon monoksit moleküllerini yavaşlatmayı başardı. Haziran ayında yayınladıkları bir makalede bu sürecin matematiksel anlatımını verdiler. Mo-leküllerin kapana kıstırılması çalışma-larındaysa, hidrojen atomları döteryum atomlarıyla değiştirilmiş amonyum mo-leküllerini (ND3) kullandılar. Normal amonyum molekülleri (NH3) yerine döteryumlu amonyum molekülleri kul-lanma nedeni, normal amonyum mole-küllerinin en uygun elektrik alanı de-ğerlerinde doğrusal olmayan Stark

etki-si göstermeleriydi. Yavaşlatmak iste-dikleri moleküllerse en düşük enerjili titreşim durumuna sahip amonyum molekülleriydi. Bu durumdaki mole-küller bir atımdaki bütün amonyum moleküllerinin sekizde birini oluştu-ruyorlardı.

Yavaşlatılmış molekülleri kapana kıstırmak için Hollandalı araştırmacılar, molekül atımlarını elektrostatik bir ka-pana doğru yönlerdirdiler. Moleküller kapana yaklaşırken kapanın içinde, şekil 2 de görüldüğü gibi, moleküllerin hareket ettikleri yönde yoğunluğu ar-tan bir elektrik alanı uygulandı. Sanki moleküller bir tepeye tırmanıyorlarmış gibi yavaşladılar, çoğu durdu ve hatta geri döndü. Tam bu anda elektrik alanı minimumu merkezde olan simetrik bir alan haline çevrildi. Böylece molekül-ler bu elektrik alanının içine kıstırılmış oldular. Kapandaki moleküllerin küçük

bir kısmını iyonize edip, onlardan ge-len ışınımı ölçerek santimetreküpte yaklaşık bir milyon molekül olduğunu belirlediler. Moleküllerin toplam hac-miyse 0.25 cm3_{olarak ölçüldü.}

Kullanılan kapanı bir kuyu gibi dü-şünebiliriz. Bu kuyudan kurtulabilmek için bir molekülün hızının belli bir de-ğerden fazla olması gerekir. Hollandalı grubun kullandığı kapanda bu değere karşılık gelen sıcaklık 350 mK. Mole-küller bu kapandan çıkamadıklarına göre sıcaklıkları 350 mK den düşük ol-mak durmunda. Hollandalı grup henüz bu sıcaklığı doğrudan ölçmek için bir yöntem geliştirebilmiş değil. Ama ka-pan içindeki moleküllerin sıcaklıkarı-nın 2mK kadar düşük olabileceğini tah-min ediyorlar. Moleküllerin kapan içinde kalma süreleriyse 0.24 saniye.

Hollandalı grup, umut veren bu tekniği daha da geliştirmek için çalışı-yor. Amaç, kapan içindeki moleküllerin yoğunluğunu santimetreküpte bir mil-yar düzeyine çıkarmak. Araştırmacılar bunu elektrik alanı yoğunluğunu artı-rarak, daha fazla elektrostatik basamak koyarak, kapanı yavaşlatıcıya daha ya-kın koyarak başarabileceklerini düşü-nüyorlar. Bir başka amaçları olan mole-küllerin kapan içinde kalma sürelerini uzatmayıysa daha iyi bir vakum ortamı oluşturarak sağlayabilecekleri kanısın-dalar.

Bakalım molekülleri daha ne kadar soğutacaklar ve bu çalışmalar yepyeni olgulara yol açacak mı?

Levi, B. G., “Hot Prospects For Ultracold Molecules”

Physics Today, Eylül 2000

Çeviri: Yusuf İpekoğlu

Kasım 2000 35

Şekil 1 Elektrik alanları molekülleri yavaşlatıyor. a) Dipolar bir molekül (yeşil) elektrod-lar arasındaki elektrik alanına (kırmızı çizgiler) girince Stark etkisine uğrar. b) Molekül-ler merkeze yaklaştıkça elektrik alanına ters yönde dipolu olan molekülMolekül-ler daha kısa hız vektörünün (mavi ok) sembolize ettiği gibi yavaşlarlar. c) Molekül merkeze ulaşınca elektrik alanı kapatılır dolayısıyla molekül ortamı terkederken tekrar hız kazanamaz. Yüksek voltaj kaynağı bağlantıları +YV ve -YV olarak gösterilmiştir.

Şekil 2 Elektrik ala-nından kapan a) Ka-pana giren dipolar moleküller (mavi bu-lut) keskin bir şekilde değişen bir elektrik alanının (kırmızı çizgi-ler) etkisi altında ka-lırlar. Elektrik alanına ters yönde dipol mo-menti olan moleküller yavaşlar. Alttaki gra-fik potansiyel enerjiyi konumun fonksiyonu olarak vermekte. b) Moleküller kapanın içine girince alan konfigürasyonu (üst-te) molekülleri kıs-tıran bir potansiyel kuyusu (altta) oluş-turur. Yükleme Kapanlama Konum Enerji Enerji Konum Zaman YV YV YV YV