2018 Nobel Fizik Ödülleri: Işıktan yapılma aletler

Bu yılki Nobel Fizik Ödülü, lazer fiziğinde devrim yaratan buluşları nedeniyle üç bilim insanı arasında paylaştırıldı. Ödülün bir yarısı, optik cımbızın icadı ve biyolojik sistemlere uygulanmasından ötürü Arthur Ashkin’e...

Bu yılki Nobel Fizik Ödülü, lazer fiziğinde devrim yaratan buluşları nedeniyle üç bilim insanı arasında paylaştırıldı.

Ödülün bir yarısı, optik cımbızın icadı ve biyolojik sistemlere uygulanmasından ötürü Arthur Ashkin’e giderken, diğer yarısı ise yüksek yoğunluklu ultra-kısa lazer atımlarının üretilmesi için keşfettikleri yöntemden dolayı Gerard Mourou ile Donna Strickland’a verildi.

Son derece küçük nesneler ve inanılmaz hızlı süreçler, 2018 Nobel Fizik Ödülü ile onurlandırılan bu keşifler sayesinde gözlemlendi. Yalnızca fizikte değil, kimya, biyoloji ve tıp alanlarındaki araştırma ve uygulamalarda kullanılan birçok cihaz, keşiflerin getirdiği teknoloji ile birlikte hassaslık kazandı.

Arthur Ashkin, parçacıkların, atomların ve moleküllerin tutulabildiği optik bir “cımbız” icat etti. Virüs, bakteri ve diğer yaşayan organizmalar da bu yöntemle zarar verilmeden incelenip manipüle edilebiliyor. Ashkin’in optik cımbızları, yaşamın mekaniklerini gözlemlemek ve kontrol edebilmek için yepyeni fırsatlar sundu.

Gerard Mourou ve Donna Strickland ise insanoğlunun yarattığı en kısa ve en yoğun lazer atımlarına giden yolu açtı. Geliştirdikleri teknik, endüstriden sağlık uygulamalarına kadar yeni araştırma alanlarının ortaya çıkmasını sağladı. Örneğin, günümüzde her yıl milyonlarcası yapılan göz ameliyatları, bu keskin lazer atımları sayesinde gerçekleşiyor.

Arthur-Ashkin—Gerard-Mourou—Donna-Strickland

Arthur-Ashkin—Gerard-Mourou—Donna-Strickland

Işık atımı içerisinde hareket etmek

Arthur Ashkin, ışık atımlarının cisimleri hareket ettirmek amacıyla kullanılıp kullanılamayacağı üzerine düşünüyordu. 1960’lı yılların kült dizisi Star Trek’te, nesneler ve hatta astroidler temas edilmeden hareket ettiriliyordu. Tabii ki bu kulağa saf bilimkurgu gibi geliyor. Güneş ışıklarının enerji taşıdığını hissedebilsek de ışığın uyguladığı basınç kuvveti, herhangi bir itki hissetmeyeceğimiz kadar küçüktür. Peki bu kuvvet, küçük parçacıkları ve atomları hareket ettirebilir mi?

Ashkin, 1960’ta ilk lazerin icat edilmesinden sonra New York dışındaki Bell Laboratuvarı’nda deneylere başladı. Gökkuşağındaki tüm renkleri içerisinde barındıran ve her yöne dağılan sıradan beyaz ışığın aksine, lazer ışığı koherenttir (tek bir dalga boyundadır). Ashkin lazer ışığının küçük nesneleri hareket ettirebilmek için biçilmiş kaftan olduğunu fark etti. Mikrometre boyutlarında şeffaf küreler üzerine lazer atımları gönderen Ash- kin, kürelerin hareket ettiğini gözlemledi. Aynı zamanda kürelerin lazer atımının en yoğun olduğu merkeze doğru nasıl hareketlendiği görünce şaşırdı. Bunun nedeni, lazer ışığı ne kadar keskin olursa olsun, yoğunluğunun merkezden uzaklaştıkça azalmasıdır. Böylece lazerin parçacıklar üzerine uyguladığı basınç kuvveti değişkenlik gösterir ve parçacıkların merkeze doğru yönlenip orada tutulması sağlanır.

Parçacıkları atım yönünde tutmak amacıyla da lazer ışığını güçlü bir lensle odaklayan Ashkin, parçacıkların ışık yoğunluğunun en fazla olduğu noktaya doğru hareketlenmesini sağladı. Daha sonra optik cımbız olarak adlandırılacak ilk ışık kapanı böylece doğmuş oldu.

Işık tarafından yakalanan bakteri

Yıllar süren çalışmalar ve denemeler sonucunda, tek başına atomlar tuzaklanabiliyordu, ancak ortada halen sorunlar vardı. İlk sorun, optik cımbızların atomları tutabilmesi için daha büyük kuvvetlerin gerekmesiydi. Diğer bir sorun da atomların ısıl titreşimleriydi. Atomları yavaşlatmanın ve nokta işaretinden daha küçük bir bölgeye sıkıştırmanın bir yolunu bulmak gerekiyordu. 1986 yılında optik cımbızlar diğer metotlarla birleştirilince, atomları durdurmak ve tuzaklamak olanaklı hale geldi.

ASHKIN’İN-IŞIK-TUZAĞI

Atomları yavaşlatma çalışmaları kendi içinde bir alan haline gelmişken, optik cımbızların yepyeni bir kullanım alanı olarak biyolojik sistemler Arthur Ashkin tarafından şansın da yardımıyla keşfedildi. Daha küçük parçacıkları yakalama çabalarında, küçük mozaik virüs numuneleri kullanan Ashkin, numunelerini bir gece açık unuttuktan sonra, ertesi gün büyük parçacıklara dolu olduğunu gördü. Mikroskopla inceleme yaptıktan sonra da bu parçacıkların oradan oraya yüzen bakteriler olduklarını, ancak bunun da ötesinde lazer atımına yaklaştıkça bakterilerin de tuzağa yakalandıklarını gördü. Yeşil renkli lazer atımları bakterileri öldürmüştü, fakat daha zayıf kızılötesi ışık kullanılarak bakteriler zarar görmeden tuzaklanabilirdi.

Daha sonra Ashkin, birçok bakteri, virüs ve hücre çeşidine odaklanmaya başladı. Hatta hücre zarını zedelemeden hücrenin içerisine ulaşmanın mümkün olduğunu gösterdi ve böylelikle optik cımbızı, yeni bir dünyanın kapılarını araladı. Biyoloji uygulamalarındaki önemli bir atılım, hücre içinde hayati görevleri olan moleküler motorların, mekanik özelliklerinin araştırılmasıdır.

IŞIK TUZAĞINA DÜŞEN BİR MOTOR MOLEKÜLÜ
Figür 2: Optik cımbız, hücre iskeleti boyunca hareket eden motor molekülünün hareketinin izlenmesine olanak tanıyor.
IŞIK-TUZAĞINA-DÜŞEN-BİR-MOTOR-MOLEKÜLÜ

Optik cımbız kullanılarak, bir motor protein olan kinesin ve onun mikrotübül boyunca hareketi, detaylı olarak ilk defa gözlenmiştir.

Bilim kurgudan gerçek uygulamalara

Yıllar boyunca birçok araştırmacı Ashkin’in çalışmalarından ilham aldı ve daha ileriye götürmeye uğraştı. Cisimlere dokunmadan onları gözlemleme, döndürme, kesme, itme, çekme gibi sayısız uygulamalar, optik cımbız konseptini temel almaktadır. Optik cımbızlar, biyolojik işlemlerin çalışıldığı birçok labo- ratuvarda artık standart bir ekipman halini almıştır. Binlerce cımbızın aynı anda kullanılabildiği yeni geliştirilen optik holografi tekniği sayesinde, sağlıklı kan hücreleri ile hastalıklı olanlar birbirlerinden ayrılabilir ve sıtma ve benzeri hastalıklara karşı savaşta kullanılabilir.

CPA-(Chirped-Pulse-Amplification)

Bu yılki fizik ödülünün diğer yarısı ise, ultra-kısa ve süper-güçlü lazer atımlarının keşfine ve açtığı ufuklara adanmıştır.

Ultra-kısa yüksek enerjili atımlar için yeni bir teknoloji

Keşife ilham veren fikir, radarların ve uzun radyo dalgalarının anlatıldığı bir popüler bilim makalesinden geliyordu. Fakat bu düşünceyi daha küçük dalga boylu olan optik bantta gerçekleştirmek teorik ve pratik açıdan zordu. Don- na Strickland’ın 1985 yılında yayımladığı ilk bilimsel makalesi bu zorluğun üstesinden gelmeyi başardı. Kanada’dan Amerika’daki Rochester Üniversitesi’ne geçen Strickland, kırmızı ve yeşil lazerlerin ortamı bir Noel ağacı misali aydınlattığı laboratuvarda, danışmanı Gerard Mourou’nun ileri görüşlülüğüyle birlikte lazer fiziğine ilgi duymaya başladı.
Lazer ışığı, ışık parçacığı olan fo- tonların daha fazla foton yarattığı bir dizi zincirleme reaksiyon neticesinde oluşturulur ve atımlar halinde yayılır. Lazerlerin keşfedildiği neredeyse 60 yıl önceki ilk günden beri araştırmacılar, daha yoğun lazer ışığı üretme konusunda mesai harcamışlardır. 1980’in ortalarına gelindiğinde ise yolun sonu gelmişti: Kısa atımların yoğunluğunu artırmak, yükselticiye zarar vermeden mümkün olmuyordu.

Strickland ve Mourou’nun CPA (Chirped Pulse Amplification) olarak bilinen yeni tekniği ise oldukça şık ve basitti: Kısa lazer atımını al, esnet, genliğini yükselt ve yeniden sıkıştır. Herhangi bir atım esnetildiğinde, maksimum gücü çok daha düşük hale gelir ve bu sayede yükseltici zarar görmeden atımın genliği artırılabilir. Daha sonra atım yeniden sıkıştırılır, ki bu da daha dar bir uzay aralığında daha fazla ışığın toplanması demektir ve böylece atımın yoğunluğu önemli ölçüde artırılmış olur.

Pratik ve kavramsal ayrıntıların ortaya çıkardığı zorluklar sebebiyle ikilinin her şeyi yerli yerine oturtması birkaç yıllarını aldı. Örneğin, atımın genişletilebilmesi için 2,5 kilometrelik optik fiber kablo kullanılıyordu, fakat kablonun ucundan ışık bir türlü çıkmıyordu. Kablo, ortasından bir yerde kırılıyor olmalıydı. Uzun uğraşlar sonucunda yeterli kablo uzunluğu 1,4 kilometreye kadar düşürüldü. Bir diğer zorluk ise ekipmanın senkronizasyonunu sağlamak; atım genişletici ile kompresörü birbirine uydurmaktı. 1985 yılında bu sorunun da üstesinden geldikten sonra Strickland ve Mourou’nun yeni tekniği pratik uygulamalar için hazırdı. CPA tekniği lazer fiziğinde bir devrim yarattı ve yüksek yoğunluklu lazer çalışmaları için bir standart haline gelip birçok yeni uygulama alanı ortaya çıkardı.

Dünya’nın en hızlı kamerası

Femtosaniye-lazerlerin-kısa-atımları

Figür 4: Femtosaniye lazerlerin kısa atımları, nanosaniye lazerler ile karşılaştırıldığında malzeme üzerinde çok daha az hasara sebep olur.

Peki bu kısa ve yoğun lazer atımları nasıl kullanılıyor? İlk kullanım örneklerinden biri, molekül ve atomların sürekli olarak değişen mikro- dünyasına ışık tutmak oldu. Atom dünyasında olaylar o kadar çabuk gerçekleşir ki, CPA’ya kadar olayların yalnızca öncesi ve sonrasından bahsetmek mümkün olmaktaydı. Fakat femtosaniye atımlı (saniyede milyar kere milyon atım) lazerler sayesinde olayları “anlık” olarak takip etmek mümkün oldu.

Lazerler, yüksek yoğunluklu atımlarından ötürü maddenin özelliklerinin değiştirilebilmesi için de önemli bir araçtır. Örnek vermek gerekirse, elektriksel olarak yalıtkan malzemeler iletkenlere döndürülebilir, ultra-keskin lazer atımları ile çeşitli malzemeler üzerinde son derece hassas oyuklar açılabilir. Başka bir örnek de lazerlerin veri depolamada etkin kullanımıdır. Depolama işlemi, yalnızca depolayıcı materyalin yüzeyinde değil aynı zamanda materyaldeki minik delikler içerisinde de yapıldığından, lazerler daha verimli depolama için kullanılabilir. Bunun yanında kan damarlarını, idrar yolunu ve vücudun içindeki diğer geçiş yollarını genişleten ve güçlendiren, cerrahi stent- lerin üretimi için de yüksek yoğunluklu lazer teknolojisi kullanılır.

Bu teknolojinin halen keşfedilmemiş sayısız uygulama alanı mevcut. İleriye doğru atılan her adım, araştırmacıların araştırma ve uygulama alanlarında yeni ufuklar kazanmasına önayak oluyor.
Son yıllarda ortaya çıkan yeni araştırma alanlarından biri de attosaniye (saniyede milyar kere milyar) fiziğidir. Birkaç yüz attosaniyeden kısa lazer atımları, elektronların ilginç dünyasını ortaya çıkarabiliyor. Elektronlar, maddenin elektriksel ve optik özellikleri ile kimyasal bağlarından sorumlu olan temel bileşendir. Artık elektronlar yalnızca gözlemlenmekle kalmayıp kontrol de edilebiliyor.

Daha yoğun ışığa doğru

Yeni lazer tekniğinin ortaya çıkaracağı birçok uygulama köşe başında bizleri bekliyor. Daha hızlı elektronik, daha etkin güneş panelleri, daha iyi katalizörler, daha güçlü hızlandırıcılar, yeni enerji kaynakları, yeni tıbbi ürünler… Lazer fiziğinde büyük bir rekabetin olduğuna şüphe yok.

Lazerler

Figür 5: Işık atımlarının frekansı arttıkça, daha hızlı gerçekleşen olayları gözlemlemek olanaklı hale gelir.

Donna Strickland şu anda araştırmalarına Kanada’da devam ediyor. Gerard Mourou ise Fransa’ya döndü ve orada lazer teknolojisi projeleri üzerinde çalışıyor. Aynı zamanda birkaç yıl içinde tamamlanacak olan; Çekya, Macaristan ve Romanya’nın içinde bulunduğu ELI (Extreme Light Infrastruc- ture) teknolojisinin başlatılmasına da önayak oldu. Attosaniye araştırmalarının Macaristan’da, nükleer fizik çalışmalarının Romanya’da ve yüksek enerjili parçacık atımlarının Çekya’da çalışıldığı bu ortak girişim sonucunda ELI’nin ulaşacağı gücün, 10 petawatt (milyar kere milyon watt) mertebelerinde; yani milyar kere yüz bin ampulün gücüne eşit olacağı düşünülüyor. Yeni ve daha güçlü tesisler ise Çin, Japonya, ABD ve Rusya tarafından planlanıyor.
Yeni atılacak adım hakkında şimdiden bir spekülasyon var: Gücü on kat daha artırıp 100 petawatt mertebelerine çıkarmak. Lazer fiziğinin geleceği hakkındaki fikirler burada son bulmayacak. Neden zettawatt (bir milyon petawatt) mertebelerine çıkılmasın veya neden atım süreleri zeptosaniyeye (saniyede bin milyar kere milyar) düşürülmesin? Vakumdaki kuantum fiziği çalışmalarından, vücuttaki kanser hücrelerini yok etmek için kullanılabilecek yoğun proton ışınlarının üretilmesine kadar lazer fiziği birçok alanda sınırları zorluyor. Ancak ödüllendirilen keşifler şu anki haliyle bile -Alfred Nobel’in vasiyet ettiği üzere- insanlığa büyük yarar sağlayacak şekilde mikro- dünyanın içerisine bakabilmemize olanak tanıyor.

Kaynak: Nobelprize

BU İÇERİĞE EMOJİYLE TEPKİ VER!
+1
0
+1
0
+1
0
+1
0
+1
0
+1
0
+1
0
Kategoriler
Bilim
Henüz Yorum Yok

Cevap bırakın

*

*

Benzer Konular