Diğer
Mükemmel sıvının sesi kaydedildi
Bazıları için "mükemmel bir akışın" sesi ormandaki bir derenin nazikçe çırpılması veya belki de bir sürahiden dökülen suyun çınlaması olabilir. Fizikçiler için, kuantum mekaniği yasalarının izin verdiği en az miktarda sürtünme veya viskozite ile akan bir sıvıya atıfta bulunan mükemmel bir akış daha spesifiktir.
Bu tür mükemmel akışkan davranış doğada nadirdir, ancak nötron yıldızlarının çekirdeklerinde ve erken evrenin karmaşık plazmasında meydana geldiği düşünülmektedir.
Sese buradan ulaşabilirsiniz: https://news.mit.edu/2020/sound-perfect-fluid-1203
Bu kayıt, aslında ses dalgalarının glissandosudur (müzikte ‘kayarak’ anlamına gelen terimdir), ekip fermiyonlar olarak da bilinen, dikkatlice kontrol edilmiş olan ve temel parçacıklardan oluşan, gazdan gönderdiği bir ses dalgasının ürünüdür. Duyulabilen ses perdeleri, gazın koparılmış bir tel gibi rezonansa girdiği belirli frekanslardır.
Araştırmacılar, "ses yayılımını" veya doğrudan bir malzemenin viskozitesi veya iç sürtünmesiyle ilişkili olan sesin gazda ne kadar hızlı dağıldığını ölçmek için bu gazın içinden geçen binlerce ses dalgasını analiz ettiler.
Şaşırtıcı bir şekilde, sıvının ses difüzyonunun, Planck sabiti olarak bilinen bir doğa sabiti ve sıvıdaki bireysel fermiyonların kütlesi tarafından verilen "kuantum" miktarında sürtünme ile tanımlanacak kadar düşük olduğunu buldular.
Bu temel değer, güçlü bir şekilde etkileşime giren fermiyon gazının mükemmel bir sıvı gibi davrandığını ve doğası gereği evrensel olduğunu doğruladı. Science dergisinde yayınlanan sonuçlar, bilim insanlarının mükemmel bir sıvıda ses difüzyonunu ilk kez ölçebildiğini gösteriyor.
MIT’den Prof. Martin Zwierlein, “Nötron yıldızını dinlemek epey zordur, ama laboratuvarda atomları kullanarak ve onları çorba gibi karıştırıp dinleyerek bir nötron yıldızının sesini taklit edebilirsiniz” dedi.
Elbette ekibin kullandığı gaz ile bir nötron yıldızının boyutu ve sesin yolculuğu sırasındaki hızı hepsi birbirinden farklı. Zwierlein’ın yaptığı kaba hesaplamalar ile yıldızın rezonans frekansı kullanılan gaz ile benzeşebiliyor hatta kayda dahi alınabiliyor. Zwierlein bu durumu, kulağımızı yerçekimine kapılıp kopup parçalanmadan yakınlaştırıp dinleyebildiğimiz bir yöntem olarak açıklıyor.
Bas, dinle, öğren
Laboratuvarda mükemmel bir sıvı oluşturmak için, Zwierlein’in ekibi, tüm maddelerin yapı taşları olarak kabul edilen elektronlar, protonlar ve nötronlar gibi temel parçacıklar gibi güçlü bir şekilde etkileşen fermiyonlardan oluşan bir gaz üretti.
Bir fermiyon, yakındaki başka bir fermiyonla aynı dönüşü almasını önleyen bir özellik olan yarım tamsayı dönüşüyle tanımlanır. Bu özel doğa, elementlerin periyodik cetvelinde bulunan atomik yapıların çeşitliliğini mümkün kılan şeydir.
Zweirlein, “Elektronlar fermiyon olmasaydı, hidrojen, helyum ve tüm atomlar aynı durumda olmaktan mutlu olsaydı bizler de korkunç, sıkıcı bir çorba gibi aynı görünürdük” dedi.
Fermiyonlar doğal olarak birbirlerinden ayrı kalmayı tercih ederler. Ancak güçlü bir şekilde etkileşime girmeleri sağlandığında, çok düşük viskoziteli mükemmel bir sıvı gibi davranabilirler. Böylesine mükemmel bir sıvıyı oluşturmak için, araştırmacılar önce fermiyon olarak kabul edilen lityum-6 atomlarından oluşan bir gazı yakalamak için bir lazer sistemi kullandılar.
Araştırmacılar, lazerleri fermiyon gazı etrafında bir optik kutu oluşturacak şekilde hassas bir şekilde yapılandırdılar. Lazerler, fermiyonlar kutunun kenarlarına çarptığında gaza geri dönecek şekilde ayarlandı. Ayrıca, fermiyonlar arasındaki etkileşimler kuantum mekaniğinin izin verdiği kadar güçlü olacak şekilde kontrol edildi, böylece kutunun içinde fermiyonlar her karşılaşmada birbirleriyle çarpışmak zorunda kaldılar. Bu, fermiyonların mükemmel bir sıvıya dönüşmesini sağladı.
Zweirlein, “Eşit yoğunlukta bir sıvı yapmak zorundaydık ancak o zaman bir tarafa dokunabilir, diğer tarafı dinleyebilir ve ondan öğrenebilirdik. Sesi bu görünüşte doğal şekilde kullanabileceğimiz noktaya gitmek aslında oldukça zordur” dedi.
“Mükemmel bir şekilde akış”
Ekip daha sonra, belirli frekanslarda sıvı aracılığıyla sese benzer titreşimler oluşturmak için, duvarlardan birinin parlaklığını değiştirerek optik kutunun bir tarafından ses dalgaları gönderdi. Her bir ses dalgası içinden geçerken sıvının binlerce anlık görüntüsünü kaydettiler.
Zweirlein, “Tüm bu anlık görüntüler bize bir sonogram verir. Bu biraz doktorun muayenehanesinde ultrason çekerken yapılana benzer” açıklamasında bulundu.
Sonunda, her tür ses dalgasına tepki olarak sıvının yoğunluk dalgalanmasını izleyebildiler. Daha sonra sıvıda bir rezonans veya güçlendirilmiş bir ses oluşturan ses frekanslarını aradılar (bu içi belli miktarlarda dolu olan şarap bardaklarına vurduğumuzda çıkan sesteki titreşimi ölçmek gibi bir şey).
Zweirlein, “Rezonansların kalitesi bana sıvının viskozitesini veya ses yayılımını anlatıyor. Bir sıvının viskozitesi düşükse, doğru frekansta vurulursa çok güçlü bir ses dalgası oluşturabilir ve çok yüksek olabilir. Çok viskoz bir sıvıysa, o zaman iyi bir rezonansı yoktur” şeklinde durumu açıkladı.
Araştırmacılar verileriyle özellikle düşük frekanslarda, sıvı boyunca net rezonanslar gözlemlediler. Bu rezonansların dağılımından sıvının ses difüzyonunu hesapladılar. Buldukları bu değer, ayrıca Planck sabiti ve gazdaki ortalama fermiyonun kütlesi aracılığıyla çok basit bir şekilde hesaplanabileceğini buldular.
Bu, araştırmacılara gazın mükemmel bir akışkan ve doğası gereği temel olduğunu gösterdi: Ses yayılımı ve dolayısıyla viskozitesi, kuantum mekaniği tarafından belirlenen olası en düşük sınırdaydı.
Zwierlein, nötron yıldızları gibi daha egzotik maddelerde kuantum sürtünmesini tahmin etmek için sonuçları kullanmaya ek olarak, sonuçların, mükemmel, süper iletken akış sergilemek için belirli malzemelerin nasıl yapılabileceğini anlamada yardımcı olabileceğini söyledi.
Zweirlein, “Bu çalışma doğrudan malzemelerdeki dirence bağlanır. Bir gazdan elde edebileceğiniz en düşük direncin ne olduğunu bulduktan sonra, malzemelerdeki elektronlarla neler olabileceğini ve elektronların mükemmel bir şekilde akabileceği malzemeleri nasıl üretebileceğimizi anlatırız. Heyecanlandırıcı bir durum” dedi.
Makale hakkında daha detaylı bilgi için Science’a aşağıdaki linkten ulaşabilirsiniz:
