Kısa Bir Zamanda Işığın Kalp Atışlarını Görmek

Büşra Yılmaz

2023 Nobel Fizik Ödülü ABD’deki Ohio State Üniversitesi’nden Pierre Agostini, Almanya’daki Max Planck Enstitüsü’nden Ferenc Krausz, İsveç Lund Üniversitesi’nden Anne L’Hullier’e “madde içinde elektron dinamiklerinin incelenmesi için geliştirdikleri, attosaniye ışık darbeleri üreten deneysel yöntemler” üzerine yaptıkları çalışmalar nedeniyle verildi.

Saniyenin bir kentilyonda birine yani 1018’ne bir attosaniye denmektedir. Bir atto­saniye o kadar kısadır ki, bir saniyede evrenin doğuşundan bu yana geçen saniyelerin sayısı kadar çok sayıda değişiklik meydana gelir. Mi­nik bir sinek kuşu saniyede 80 kez kanat çırpa­bilir. Bunu ancak uğultulu bir ses ve bulanık bir hareket olarak algılayabiliyoruz. İnsan duyuları için hızlı hareketler bulanıklaşır ve son derece kısa olayların gözlemlenmesi imkansızdır. Bu çok kısa anları yakalamak veya tasvir etmek için teknolojik hilelere ihtiyacımız vardır. Olay ne kadar hızlı olursa, anı yakalamak isteniyor­sa fotoğrafın da o kadar hızlı çekilmesi gerekir. Aynı prensip, hızlı süreçleri ölçmek veya tas­vir etmek için kullanılan tüm yöntemler için geçerlidir. Herhangi bir ölçümün, incelenen sistemin gözle görülür bir değişime uğrama­sı için gereken süreden daha hızlı bir şekilde yapılması gerekir, aksi takdirde sonuç belirsiz olur. Atomların doğal zaman ölçeği inanılmaz derecede kısadır. Işık, boşlukta her şeyden daha hızlı hareket eden dalgalardan (elektrik ve man­yetik alanlardaki titreşimlerden) oluşur. Bunlar farklı renklere eşdeğer farklı dalga boylarına sa­hiptir. Mümkün olan en kısa ışık darbesini, ışık dalgasındaki tek bir periyodun uzunluğu, yani dalganın bir zirveye, bir çukura ve başlangıç noktasına geri döndüğü döngünün uzunluğu olarak düşünebiliriz. Bu durumda, sıradan lazer sistemlerinde kullanılan dalga boyları asla bir femtosaniyenin altına inemez; dolayısıyla 1980’lerde bu, mümkün olan en kısa ışık patlamaları için kesin bir sınır olarak kabul ediliyordu. Dalgaları tanımlayan matematik, doğru boyutlarda, dalga boylarında ve genlik­lerde (dalga tepesi ve dalga çukuru arasındaki mesafe) yeterli sayıda dalga kullanılırsa herhan­gi bir dalga formunun oluşturulabileceğini gös­termektedir. Bir molekülde atomlar saniyenin milyarda birinin milyonda biri kadar bir süre­de, femtosaniyede hareket edebilir ve dönebilir. Bu hareketler, bir lazerle üretilebilecek en kısa darbelerle incelenebilir; ancak atomların ta­mamı hareket ettiğinde zaman ölçeği, hafif ve çevik elektronlara kıyasla son derece yavaş olan büyük ve ağır çekirdekler tarafından belirlenir. Elektronlar atomların veya moleküllerin içinde hareket ettiğinde bunu o kadar hızlı yaparlar ki değişiklikleri normal zaman diliminde ölçül­mesi imkansızlaşır. Uzun yıllar boyunca bilim insanları bir femtosaniyeyi, uzun süre boyunca üretilebilecek ışık parlamalarının sınırı olarak kabul etmiş ve kullanmıştır.

Mevcut teknolojiyi geliştirmek, elektronla­rın şaşırtıcı derecede kısa zaman çizelgelerinde meydana gelen süreçleri görmek için yeterli ol­mamıştır, tamamen yeni bir şeye ihtiyaç duyul­maktadır. Bu ihtiyacı karşılamak için attosaniye kavramı geliştirilmiştir. Elektronların dünyasın­da, konumlar ve enerjiler bir ila birkaç yüz at­tosaniye arasındaki hızlarda değişir; burada bir attosaniye, saniyenin milyarda birinin milyarda biri kadardır. Attosaniye o kadar kısa ki, bir sa­niyedeki sayısı, evrenin 13,8 milyar yıl önce var olmasından bu yana geçen saniye sayısıyla aynı. Attosaniyelik süreç, ışık atımları üreten deneysel metotların geliştirilmesini içermektedir. Bu sa­yede gelecekte elektronların hareketleri ve enerji değişim süreçleri incelenebilecektir. Evrenin en hassas fotoğraf makinesi olarak isimlendirile­bilecek bu zaman ölçümü ile mikro kozmozun detaylarını daha hassas kavrayabileceğiz. Attosa­niyeki lazer atımlarının ölçümü ile, elektron gibi ultra hızlı hareket eden parçacıkların dinamiğini ve bu lazer atımlarının madde ile etkileşimini inceleyebileceğiz. Attosaniye darbelerinin püf noktası, daha fazla ve daha kısa dalga boylarını birleştirerek daha kısa darbeler oluşturmanın mümkün olmasıdır. Elektronların hareketlerini atomik ölçekte gözlemlemek, yeterince kısa ışık darbeleri gerektirir; bu, birçok farklı dalga bo­yundaki kısa dalgaların birleştirilmesi anlamına gelir. İşte bu attosaniye ölçeğindeki ışık darbe­lerini ölçmek için geliştirilen yöntemler bu yılki Nobel ödüllerini sahiplerine kavuşturdu.

1987 yılında, bir Fransız laboratuvarındaki Anne L’Huillier ve meslektaşları, kızılötesi lazer ışığını argon gibi bir soy gaz yoluyla ilettiğinde ışığın birçok farklı tonunun ortaya çıktığını keş­fetti. Kızılötesi ışık, önceki deneylerde kullanılan daha kısa dalga boylarına sahip lazerden daha fazla ve daha güçlü tonlara neden oldu. Yani bu soy gazlara güçlü lazer ışığı tutulduğunda gazın içindeki atomların uyarıldığını ardından farklı dalga boylarında tekrar ışık yayıldığını gözlem­lediler. Bu tekrar yayılan ışımalardan bazılarının daha parlak ama alışılmamış bir düzende oldu­ğunu keşfettiler. Bu parlak ışımalar, lazer ışığının gazdaki atomlarla etkileşime girmesinden kay­naklanır; bazı elektronlara daha sonra ışık olarak yayılan ekstra enerji verir. Anne L’Huillier bu ol­guyu keşfetmeye devam ederek sonraki atılımla­ra zemin hazırladı. 2001 yılında Pierre Agostini, her bir darbenin yalnızca 250 attosaniye sürdüğü bir dizi ardışık ışık darbesini üretmeyi başarmış­tır. Aynı zamanda Ferenc Krausz, 650 attosaniye süren tek bir ışık atımının izole edilmesini müm­kün kılan başka bir deney türü üzerinde çalışı­yordu. Ödül alanların katkıları, daha önce takip edilmesi imkansız olan çok hızlı süreçlerin araş­tırılmasına olanak sağladı.

Lazer ışığı gazın içine girip atomlarına etki ettiğinde, atom çekirdeğinin etrafındaki elekt­ronları tutan elektrik alanını bozan elektro­manyetik titreşimlere neden olur. Şiddetli lazer ışınlarının elektromanyetik dalgası önce atomla etkileşime girip elektronun atom bariyerini aş­masını kolaylaştırır. Elektronda yörüngesinden ani bir şekilde fırlayabilir. Serbest kalan elekt­ron, lazerin elektromanyetik alanıyla birlikte ivmelenir ve kinetik enerji kazanır. Ancak ışığın elektrik alanı sürekli titreşir ve yön değiştirdi­ğinde gevşek bir elektron atomun çekirdeğine geri dönebilir. Elektronun geri dönmesi ile ka­zandığı kinetik enerji yüksek ultraviyole ışınlar olarak etrafa saçılır. Sonuçta gönderilen o lazer ışınından daha yüksek frekanslı ve daha küçük dalga boylu ışık atımları elde edilir. Elektronlar­dan gelen bu ışık darbeleri, deneylerde ortaya çıkan armonileri yaratan şeydir.

Bilim insanları bu tekniği atomların ve mo­leküllerin içindeki elektronların davranışını araştırmak için kullandılar. Örneğin teknik, ışığın bir elektronu atomdan ayırdığı fotoelekt­rik etkinin zaman çizelgesini ve elektronların aşılmaz gibi görünen bariyerlerden geçtiği ku­antum tünellemenin ayrıntılarını ortaya çıkar­maktadır. Bu keşfin kullanıldığı pek çok farklı alanda potansiyel uygulamalar mevcuttur. Ör­neğin elektronikte elektronların bir malzemede nasıl davrandığını anlamak ve kontrol etmek önemlidir. Attosaniye darbeleri, tıbbi teşhisler­de olduğu gibi farklı molekülleri tanımlamak için de kullanılabilir. Klasik fiziği ve modern fiziğin bir harmoni içinde birleştiren bu keşif ile, kuantum fiziğinde çözülemeyen gizemleri ortaya çıkaracağız gibi görünüyor. Bizler için kısa ancak kuantum dünyası için oldukça uzun bir zamanda, ışığın “dıp dıp” seslerini dinlemek ve dahası o sesi görmek artık imkansız değil.

Kaynakça

1. The Nobel Prize. https://www.nobelprize.org/pri­zes/physics/2023/press-release/ Erişim Tarihi: 18 Ekim 2023.
2. Science News. https://www.sciencenews.org/artic­le/technique-ultrafast-electrons-2023-physics-no­bel Erişim Tarihi:18 Ekim 2023.