Yıldız Savaşları serisinin bir bölümünde Kylo Ren’in, lazer silahından çıkan bir ışığı durdurduğu sahneyi hatırlayanlarınız olacaktır. Peki bilim kurgu filmindeki bu sahne gerçekte de mümkün mü ? Adını Işığı Durdurmak olarak belirlemiş olduğumuz yazımıza Fizikçilerin bu konuda yapmış olduğu çalışmaları tarihsel bir perspektif üzerinden değerlendirelim.
Işığın Yapısının İncelenmesi
Bu sorunun yanıtını vermeden önce ‘’Işık nedir?’’ sorusuna yanıt aramak gerekiyor. Işığın dalga mı yoksa parçacık mı olduğu tartışmaları 17. yüzyıla dayanıyor. Önce Isaac Newton (1643-1727)ışığın düz bir çizgi olduğu için kırılıp yansıdığını ( dalgalar halinde yayılmadığını ), korpüsküler adındaki parçacıklardan oluştuğunu söylüyor. Christian Huygens ( 1629-1695) ise bu teorinin, ışığın tüm özelliklerini açıklamaya yeterli olmadığını söyleyerek ışığın kırınımı engele çarpan dalga modeliyle, girişimini tepe ve çukur noktalarının süperpoze olmasıyla, polarizasyonu yine dalga boylarıyla ilişkilendirerek açıklıyor. Thomas Young’ın yaptığı çift yarık deneyi de dalga modelinin inkar edilemeyeceğini gösteriyor.
19.yüzyılın sonlarına doğru bir çok heyecan verici deney sonucu peş peşe geliyor. Max Planck, kendisine kuantum kuramının babası unvanını kazandıracak iddiasını ortaya atıyor ve elektromanyetik enerjinin klasik fiziğin öngördüğü gibi sürekli olmadığını, kesikli (kuantumlanmış) olduğunu söylüyor. Bu iddiadan sonra Albert Einstein(1879-1955) fotoelektrik olayı keşfediyor. Belli bir enerji değeri olan paketçik halindeki bir ışığın katottan elektron sökebildiğini söylüyor. Fotonu, ışığın ya da elektromanyetik ışınımın birim enerjisini taşıyan parçacık olarak tanımlıyor ve Planck’a atıfta bulunarak h (Planck sabiti ) ve f (frekans) olmak üzere, fotonun enerjisinin bu ikisinin çarpımına eşit olduğunu söyleyen, bugün Planck Kanunu olarak bildiğimiz E=h.f formülü ile tek Nobel Ödülü’nü alıyor.
Louis de Broglie (1892-1987)bir elektron tabancası yardımıyla çift yarık deneyini tekrarlıyor. Aynen dalgalar gibi parçacık (lepton) olan elektronların da girişim deseni oluşturduğunu gözlemliyor. Bu deney sonucu ortaya çıkan dalga-parçacık ikililiği teorisiyle tüm maddelerin yalnızca kütleleri olan parçacıklar olmadığını, tüm parçacıkların da enerji transferi yapabilen dalga özelliğine sahip olduğunu söyleyerek kuantum mekaniğinin temellerinin atılmasına katkıda bulunuyor.
Hem dalga hem parçacık olduğunu bildiğimiz ışık, vakumda c=299 792 458 m/s hızla gidiyor (kozmik hız limiti). Evrende hiçbir madde bu hıza erişemez. Ancak ışık, bulunduğu ortamın yoğunluğuna bağlı olarak yavaşlıyor; havada 0.9997c, suda 0.75 c, camda 0.66c ve kristal içinde 0.5c hızla ilerleyebiliyor . Bu da bize, ışığın yarıya inmiş bu hızla bile, Dünya’nın etrafında saniyede yaklaşık 3.5 tur atabileceğini söylüyor.
1999 yılında Harvard Üniversitesi’ndeki bir ekip, kendi laboratuvarlarında ışığın hızını saniyede 17 metreye kadar düşürebildiklerini gösterdi ve bu çalışmalarını ‘’ışık hızında bisiklete binmek’’ isimli bir yazıyla duyurdu. Işığın hızını yaklaşık 20 milyonda birine düşürürken iki şeyden yararlandılar. Bunlardan biri soğuk atomlar diğeri ise indüklenmiş şeffaflık.
Oda sıcaklığında gaz atomları birbirlerinden bağımsız parçacıklar gibi hareket ederler. Ortam sıcaklığı düşürüldükçe bu parçacıklar dalga paketçiği özelliği göstermeye başlar. Kritik sıcaklığa yaklaştıkça, teorik olarak 1925’te ortaya atılan Bose-Einstein yoğuşması denilen fenomen ortaya çıkar. Yani bu küçük dalga parçacıkları birbirleriyle örtüşerek kolektif bir yapı oluştururlar. Mutlak sıfıra (0 derece Kelvin ya da -273,15 derece Celcius) yaklaşıldıkça bu kolektif yapı makroskobik bir yapıya dönüşür. Teorisi ortaya atıldıktan 70 sene sonra 1995’te Cornell, Wieman ve Ketterle bu makroskobik yapıyı görüntülemeyi başardı ve bu çalışmalarıyla 2001’de Nobel Ödülü’ne layık görüldüler. Bundan sonra sadece gaz atomlarıyla değil, moleküllerle ve hatta fotonlarla bile Bose-Einstein yoğuşması elde edilebildi.
Opak bir soğuk atomun içinden birbirine dik bir sonda lazeri ve bir kontrol lazeri geçirildiğinde, elektronların farklı temel enerji düzeylerine sahip olmaları nedeniyle yıkıcı girişimler oluşur ve bu yıkıcı girişim aslında opak olan maddenin şeffaf görünmesini sağlar. Örneğin bir lazer pointer’ı alıp duvara tutarsak, ışığın opak duvara çarptığında durduğunu hepimiz görürüz. Lazerler yardımıyla yapılan bu çalışmada opak madde içinde ışık sadece durdurulmakla kalmıyor, ışığın ( dalga paketçiğinin) içindeki tüm bilgi ve dalganın bütün karakteristik özellikleri de ışığın durdurulduğu süre boyunca kaydedilip saklanabiliyor. Bir bilim kurgu serisi olan Yıldız Savaşları’nda Prenses Leia’nın mesajının holografiden izlenmesinin gerçek bilimdeki karşılığı diye düşünebiliriz bu çalışmayı da.
Bu teknikler kullanılarak ilk olarak 2009 yılında ışık 1.5 saniyeliğine durdurulabiliyor. Bu bize çok kısa bir süreymiş gibi gelse de ışığın bu süre içerisinde Dünya’nın etrafını 11-12 kere döndüğü düşünüldüğünde oldukça uzun bir süre. Şu an için en uzun süre tabiî ki de bu değil. Alman bilim insanı Halfman ve ekibi indüklenmiş şeffaflık metoduyla gerçekte opak olan bir kristal yapı üzerinde ışığı 60 saniye boyunca durdurup canlandırdıktan sonra desenini de büyük ölçüde korunduğunu gösterdi. Bu bize kuantum bitlerin, pikseller olarak saklanabileceğini de göstermesi açısından oldukça önemli bir çalışmaydı. MIT’den de ( Massachusetts Institute of Technology ) bu konuda çok yakın tarihli (ve şimdilik en uzun süreli) bir çalışma geldi.
Anlaşılacağı üzere ışığı durdurmak o kadar kolay bir iş değil. Bunu yapmak için oldukça büyük laboratuvarlara ve çok karmaşık optik masalara ihtiyaç var. Bu nedenle bu yöntemlerin uygulanabilirliği ve fonksiyonelliği tartışılabilir. NASA, nanobilimdeki ve katıhal fiziğindeki gelişmelerden faydalanarak, 1918’de Uluslararası Uzay Ajansına gönderilmeye elverişli, hafif, kullanışlı bir CAL ( Cold Atom Laboratory ) üretebildi. Yine de bu yöntemin yüksek maliyet ve ileri teknoloji gerektirdiği bir gerçek.
Soğuk atom teknolojileri kadar keskin sonuçlar alınmasa da ışığı durdurmak veya yavaşlatmak için farklı teknikler kullanmak mümkün. Örneğin IBM’in 2005’de bir silikon yonga üzerinde ışığı 300 kat yavaşlatmayı başardı. Bunu 300 nm ölçekli, fotonik kristal bir dalga kılavuzu kullanarak yaptı. Fotonik kristaller, doğada da doğal olarak ve bol miktarda bulunan, kelebek tüylerinde ve tavus kuşu kuyruklarında dahi gözlenebilen yapılar.
Görüldüğü üzere bilim kurgu serilerinde başlayan ışığı yavaşlatma, durdurma fikri gerçeğe dönüşmüş durumda. Peki bu gelişme ne işe yarayacak? Temel bilimler çalışmalarına bu soruyla başlamaz. Onların ulaştığı bilgi ve geliştirdikleri teknikler daha sonra başka alanlarda kullanılır. Lazerler de ilk üretildiğinde kimse, ne işe yarayacağını tam olarak bilmiyordu. Günümüzde lazer teknolojilerinin girmediği alan neredeyse yok. Biz de bu gelişmenin başta telekomünikasyon olmak üzere optik data işleme ve depolamada, daha hızlı optik anahtarlar üretmede, kuantum şifreleme ve kuantum işlemciler üretmede ne kadar çok işimize yarayacağını zamanla göreceğiz.
Ref: İzmir İleri Teknoloji Enstitüsü Fotonik Bölümü’nden Sevilay Sevinçli hocanın, 2 Kasım 2020 tarihinde yaptığı sunumundan düzenlenmiştir.
Derleyen: Nazan Ateş ( Akdeniz Üniversitesi – Fizik Bölümü – 2.sınıf Öğrencisi)
İlk yorum yapan olun