HELYUM DAMLALARI İÇİNDE MİNİK HORTUMLAR DÖNÜYOR

 

Tek bir helyum damlası içinde keşfedilen minik hortumlar ağının resmi. Hortumların yoğunluğu, şu ana dek süper akışkanlarla ilgili yapılan deneylerdekilerden 100 bin kat daha büyük.

Bilim insanları, saniyede 2 milyon defa dönen tekerlek şeklinde tek bir likit helyum damlacığı içinde dönerek fırtına yaratan düzinelerce minik hortum fark ettiler.

Likit helyum damlacıkları daha önce yapılan deneylerdekilerden100bin kat daha hızlı döndüler. Çalışmada yer alan uluslararası bilim insanlarından oluşan takıma göre bu damlacıklar içindeki kuantum hortum ağı, likit helyumun garip “tam akışkan” yapısı ve de kuantum dönüş yapısı hakkında ilginç bilgilerin açığa çıkmasına neden oldu.

Süper akışkan damlacıklar içindeki kuantum vortekslerin-girdapların araştırılması 10larca yıldır devam ediyor. Güney Kaliforniya Üniversitesi’nde kimya profesörü olan Andrey Vilesoy : “Ama ilk kez süper akışkan damlacıklar içinde bu hortumları görüyoruz” dedi.

“Süper akışkan”lık durumu, madde sıfır akışmazlık-viskozite- özelliğinde bir likit davranışı gösterdiğinde meydana gelir. Viskozite, likitin yoğunluğunun ya da akmaya dayanıklılığının ölçümüdür. Örneğin, bal sudan çok daha yüksek viskoziteye sahiptir. Süper akışkan likit içindeki parçacıklar tüm sürtünmelerini kaybederler ve tek bir süper boyutlu parçacık gibi ahenk içinde hareket ederler.

Bunun süper akışkan içinde olması, bulguların çok daha olağanüstü fikirleri doğurabileceğini gösteriyor. Vilesov “Live Science” a yazdığı bir e-postada: “Bazı insanlar, süper akışkanlar üzerinde çalışmanın, bilim insanlarının evrenin orijinini anlamalarına yardımcı olacağını düşünüyorlar. Bing Bang’in sonrasındaki anlarda evren homojen bir yoğunluktaydı ve bir süper akışkana benziyordu. Kuantum vorteksleri şeklinde yoğunluk dalgalanmalarının oluşumu ilk galaksi oluşumlarına yol açan şey olabilir”dedi.

Likit helyumun süper akışkan durumu, klasik fizik kanunlarına meydan okuyor ve kuantum mekaniğin garip dünyasına giriş yapıyor. Kuantum mekaniğinde, tüm fizikçiler kanunlar üzerinde hem fikir değildirler. Kuantum davranışı genellikle elektronlar ve nötrinolar gibi temel parçacıklarda geçerlidir ama likit helyum, kuantum davranış sergileyen az sayıda daha büyük ölçekli ortamdan bir tanesidir. Bilim insanları da kuantum mekaniğini çalışırken daha rahat gözlemleyebilmektedirler.

Helyum sadece yaklaşık -269 santigrat derecede likit formda var olabilir. Likit helyum Kelvin ölçeğinde mutlak sıfır noktasına kadar dondurulduğunda (yaklaşık -273 C), madde süper akışkan olur. Süper akışkan içinde, likit helyumun atomları sürekli olarak titreşirler ve bu sürekli hareket atomların donmasını engeller. Sonuç olarak da, soğutulmuş helyum atomları likit halde kalırlar. NASA’nın web sitesine göre, oluşan süper akışkanın eşsiz özellikleri, kabın kenarlarında yavaşça ilerlemesini ve mikroskobik delikler içinden sızmasını mümkün kılar.

MİNİCİK HORTUMLAR

Bilim insanları zaten likit helyum kovalarında dönen bir çok hortum gözlemlemişlerdi. Ama hortumların 100bin kat daha yoğun olduğu bu kadar küçük damlacıklar içinde hiç görmemişlerdi. Sonuçlar gösteriyor ki, her bir damla kendi başına ayrı bir kuantum objesi gibi davranıyor.

İlk deneyde araştırmacılar bir vakum içine likit helyum akışı verdiler. Püskürtme memesinin başı -283C dereceye kadar soğutuldu. Atılan-ateşlenen her bir mikroskobik damlacık neredeyse saatte 720 km hıza ulaştı ve saniyede 2milyon defaya kadar dönmeye başladı.

Araştırmacılar deneyi yürütebilmek için CAMP denilen bir araç kullandılar. Araç ultra hızda bir lazer ve görüntüleme sistemine sahip.

Bilim insanları şu ana dek, bu hızda hareket eden damlacık birimlerini bu kadar yakından gözlemleyememişlerdi. Araştırmacılar kuantum hortumlarını gözlemleyebilmek için ABD’de Enerji Bilimleri Bölümü’nde “SLAC National Accelerator Laboratory’s Linac Coherent Light Source” tesisinde dünyanın ilk X-ışını serbest elektronlu röntgenini kullandılar. Lazer, her biri saniyenin sadece 10trilyonda biri kadar süren ışık parçacığı titreşimleri gönderiyor. Ultra hızlı lazerden gelen ışık, damlacıkları kırıyor ve onlar geçip giderken her bir damlada şekiller oluşturuyor.

Her bir damla içinde coşku halinde olan minik hortumlar aslında serbest elektron lazerine görünmezler. Araştırmacılar hortumları daha net görebilmek için likit helyuma ksenon atomları eklemek zorunda kaldılar. Her bir damla içindeki enerji, ksenon atomlarını dönen sütunların içine çekti. (Başdöndüren Damlacıklar: Fotoğraflar mini dünyaları ortaya koyuyor.)

Lawrance Berkeley Laboratuarında kimya bilimi bölümünde üst düzey bir bilim insanı olan Oliver Gessner:“Tıpkı bir tıkacı banyo küvetinden çekip, çocukların oyuncaklarının vorteks içinde toplanmalarına benziyor ” dedi.

Ksenon atomları, X ışınını kırmada etrafındaki helyumdan çok daha iyiler. Bu kırılan ışıktan ortaya çıkan görüntüler, “kuantum vorteksler” adı verilen çok daha karanlık minik hortum kümelerini ortaya çıkardı. Hortum merkezleri sadece 1 atom genişliğinde. Görüntüler eşit aralıklarla hizalanmış hortumların 3 boyutlu ağını gösteriyor.

Vilesov: “Bu kadar çok vorteks görmek bizi çok şaşırttı. Başlangıçta x-ışını ışın zamanını uyguladığımızda, en azından tek bir vorteksi olan birkaç damla göreceğimizi sanıyorduk. Bazı arkadaşlarım bundan bile emin değildi” dedi.

TEKERLEK ŞEKLİNDE DAMLACIKLAR

Minik hortumlardan ortaya çıkan şekil araştırmacıları şaşırtan tek şey değildi. Lazer ışınları gösterdi ki, damlacıkların yaklaşık %40’ı normal damlacıklar gibi yuvarlak değillerdi.

Normal likit damlaları bu kadar hızlı döndüklerinde, enerji onları fıstık şeklinde eğebilir. Ama likit helyum damlaları farklı bir şekil aldılar: Damlaların üst ve alt noktaları düzleşti ve merkezleri genişledi. Tekerlek şeklindeki ilginç damlacıklar şu ana dek gözlemlenen herhangi bir likit helyumdan çok daha hızlı döndüler.

Gessner şöyle dedi:“Artık helyum nanodamlacıklarındaki kuantum dönmeyi saptayıp tanımlayabildiğimize göre, bunun orijinini anlamak ve kontrol etmeye çalışmak son derece önemli bir hale geldi.”

Çeviren : Sıdıka ÖZEMRE
http://m.livescience.com/47502-quantum-tornadoes-swirl-inside-liquid-helium.html?cmpid=514627_20140822_30285246