İsveç Kraliyet Bilimler Akademisi, 2023 Nobel Fizik Ödülü

2023 Nobel Fizik Ödülü, Pierre Agostini, Ferenc Krausz ve Anne L’Huillier’e “maddedeki elektron dinamiğinin incelenmesinde attosaniyelik ışık atımları üreten deneysel yöntemleri için” verildi.

Pierre Agostini

The Ohio State University, Columbus, OH, USA

Ferenc Krausz

Max Planck Institute of Quantum Optics, Garching, Germany; Ludwig-Maximilians-Universität München, Munich, Germany

Anne L’Huillier

Lund University, Lund, Sweden

“Işık Atımlarındaki Elektronlar”

Bu yılın fizik Nobel ödül sahipleri, deneyler aracılığıyla, elektronların son derece hızlı hareketlerinin anlık görüntüsünü almaya yetecek kadar kısa ışık parlamaları yarattılar. Anne L’Huillier, lazer ışığının bir gazdaki atomlarla etkileşiminden yeni bir etki keşfetti. Pierre Agostini ve Ferenc Krausz, bu etkinin daha önce mümkün olandan daha kısa ışık atımları oluşturmak için kullanılabileceğini gösterdi.

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 betimlemek için teknolojik hilelere başvurmamız gerekiyor.

Yüksek hızlı fotoğrafçılık ve elektronik flaşlı aydınlatma, ani olayların ayrıntılı görüntülerini yakalamayı mümkün kılar. Uçuş halindeki bir sinek kuşunun iyi odaklanmış fotoğrafı, tek bir kanat vuruşundan çok daha kısa bir pozlama süresi gerektirir. Olay ne kadar hızlı olursa, o anı yakalamak için de fotoğrafın da bir o kadar hızlı çekilmesi gerekir.

Aynı prensip, hızlı süreçleri ölçmek veya betimlemek için kullanılan tüm yöntemler için geçerlidir; herhangi bir ölçümün, incelenen sistemin dikkate değer bir değişime uğraması için gereken süreden daha hızlı bir şekilde yapılması gerekir, aksi takdirde sonuç belirsiz olur. Bu yılın ödül sahipleri de atomların ve moleküllerin içindeki süreçlerin görüntülerini yakalayacak kadar kısa ışık atımları üretmeye yönelik bir yöntemi gösteren deneyler gerçekleştirdiler.

Atomların doğal zaman ölçeği oldukça kısadır. Bir molekülde atomlar saniyenin milyarda birinin milyonda biri kadar bir sürede, femtosaniyede hareket edebilir ve dönebilir. Bu hareketler, bir lazerle üretilebilecek en kısa atımlarla 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 değişiklikler bir femtosaniyede bulanıklaşır. 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 kısadır ki, bir saniyedeki attosaniye sayısı, evrenin 13,8 milyar yıl önce var olmasından bu yana geçen saniye sayısıyla aynıdır. Daha farklı bir ölçekte karşılaştırırsak, bir odanın bir ucundan karşı duvara bir ışık parıltısının gönderildiğini hayal edebiliriz; bu, on milyar attosaniye sürer.

Bir femtosaniye, uzun süre boyunca üretilebilecek ışık parlamalarının sınırı olarak kabul edildi. Mevcut teknolojiyi geliştirmek, elektronların şaşırtıcı derecede kısa zaman ölçeğinde meydana gelen süreçleri görmek için yeterli değildi; tamamen yeni bir şeye ihtiyaç vardı. Bu yılın ödül sahipleri, attosaniye fiziğinin yeni araştırma alanını açan deneyler gerçekleştirdiler.

Yüksek armonilerin yardımıyla daha kısa atımlar

Işık, boşlukta her şeyden daha hızlı hareket eden dalgalardan (elektrik ve manyetik alanlardaki titreşimlerden) oluşur. Bunlar farklı renklere eşdeğer olan farklı dalga boylarına sahiptir. Örneğin kırmızı ışığın dalga boyu mavi ışığa göre daha kısadır ve yaklaşık 700 nanometre, yani saçın yüzde biri kalınlığındadır ve saniyede yaklaşık dört yüz otuz trilyon kez çevrime sahiptir. Mümkün olan en kısa ışık atımını ışık dalgasındaki tek bir periyodun uzunluğu olarak düşünebiliriz. Yani, dalganın bir zirvenin tepesinden bir dibe doğru ve sonra da başlangıç noktasına geri dönerek salınım yaptığı çevrim uzunluğu. Bu durumda, sıradan lazer sistemlerinde kullanılan dalga boyları hiçbir zaman bir femtosaniyenin altına inemez; dolayısıyla 1980’lerde bu, mümkün olan en kısa ışık patlamaları için kesin bir sınır olarak kabul edildi.

Dalgaları tanımlayan matematik, doğru boyutlarda, dalga boylarında ve genliklerde (zirveler ve dipler arasındaki uzunluklar) yeterli sayıda dalga kullanılırsa herhangi bir dalga formunun oluşturulabileceğini göstermektedir. Attosaniye atımlarının püf noktası, daha fazla ve daha kısa dalga boylarını birleştirerek daha kısa atımlar oluşturmanın mümkün olmasıdır.

Elektronların hareketlerini atomik ölçekte gözlemlemek, yeterince kısa ışık atımları gerektirir; bu, birçok farklı dalga boyundaki kısa dalgaların birleştirilmesi anlamına gelir.

Işığa yeni dalga boyları eklemek için bir lazerden daha fazlası gereklidir; şimdiye kadar incelenen en kısa anın anahtarı, lazer ışığının bir gazın içinden geçmesiyle ortaya çıkan bir olgudur. Işık, atomlarla etkileşime girer ve armonilere neden olur; bu armoni dalgaları, orijinal dalgadaki her döngü için bir dizi tam döngüyü tamamlayan dalgalardır. Bunu, bir sese kendine özgü karakterini veren armonik tonlarla karşılaştırabiliriz, örneğin gitarda çalınan aynı nota ile piyanoda çalınan aynı nota arasındaki fark duymamız gibi.

1987 yılında, bir Fransız laboratuvarındaki Anne L’Huillier ve meslektaşları, soy gaz aracılığı ile iletilen kızılötesi lazer ışınını kullanarak armoniler üretmeyi başardılar. Kızılötesi ışık, önceki deneylerde kullanılan daha kısa dalga boylarına sahip lazerden daha fazla ve daha güçlü tonlara neden oldu. Bu deneyde, yaklaşık olarak aynı ışık yoğunluğuna sahip birçok ton gözlendi.

Bir dizi makalesinde L’Huillier, 1990’lü yıllarında bu etkiyi keşfetmeye başladı ve yeni üniversitesi olan Lund Üniversitesi de devam ediyor. Sonuçları, bu olgunun teorik olarak anlaşılmasına katkıda bulunarak bir sonraki deneysel atılımın temelini attı.

Kopan elektronlar armoniler yaratır

Lazer ışığı gazın içine girip atomlarını etkilediğinde, elektronları atom çekirdeği çevresinde tutan elektrik alanını bozan elektromanyetik titreşimlere neden olur. Elektronlar daha sonra atomlardan kopabilir. Ancak ışığın elektrik alanı sürekli titreşir ve yönü değiştiğinde gevşek bir elektron atomun çekirdeğe geri bağlanabilir. Elektronun bu seyahati sırasında lazer ışığının elektrik alanından bu elektronlarımız çok fazla ekstra enerji toplar ve çekirdeğe yeniden bağlanmak için fazla enerjisini bir ışık atımı olarak serbest bırakması gerekir. Elektronlardan gelen bu ışık atımları, deneylerde ortaya çıkan armonileri yaratan şeydir aslında.

Işığın enerjisi dalga boyuyla ilişkilidir. Yayılan armonilerdeki enerji, insan gözünün görebildiği ışıktan daha kısa dalga boylarına sahip olan ultraviyole ışığa eşdeğerdir. Bu enerji lazer ışığının titreşimlerinden geldiğinden, üst tonların titreşimi orijinal lazer atımının dalga boyuyla hassas bir şekilde orantılı olacaktır. Işığın birçok farklı atomla bu etkileşiminin sonucu, belirli dalga boylarına sahip farklı ışık dalgalarıdır.

Bu armoniler var olduğunda birbirleriyle etkileşime girerler. Işık dalgalarının tepe noktaları çakıştığında ışık daha yoğun hale gelir, ancak bir döngüdeki tepe noktası diğerinin dip noktasıyla çakıştığında ışık daha az yoğun hale gelir. Doğru koşullar altında, armoniler çakışır ve her bir atımın birkaç yüz attosaniye uzunluğunda olduğu bir dizi ultraviyole ışık atımı meydana gelir. Fizikçiler bunun arkasındaki teoriyi 1990’larda anladılar, ancak atımları tanımlama ve test etme konusundaki gelişme 2001’de gerçekleşti.

Pierre Agostini ve Fransa’daki araştırma grubu, vagonlu bir tren gibi bir dizi ardışık ışık atımı üretmeyi ve incelemeyi başardı. Armonilerin birbiriyle nasıl uyumlu olduğunu görmek için özel bir numara kullandılar, “atım treni”ni orijinal lazer atımının gecikmeli bir kısmıyla bir araya getirdiler. Bu prosedür aynı zamanda trendeki atımların süresine ilişkin bir ölçüm yapılabilmesine de olanak sağladı ve her bir atımın sadece 250 attosaniye sürdüğünü gördüler.

Aynı zamanda, Ferenc Krausz ve Avusturya’daki araştırma grubu, tek bir atımı seçebilen bir teknik üzerinde çalışıyorlardı; tıpkı bir vagonun trenden ayrılması ve başka bir yola geçmesi gibi. Yalıtmayı başardıkları atım 650 attosaniye sürdü ve grup bunu elektronların atomlarından uzaklaştığı bir süreci izlemek ve incelemek için kullandı.

Bu deneyler, attosaniye atımlarının gözlemlenip ölçülebileceğini ve bunların yeni deneylerde de kullanılabileceğini gösterdi.

Artık attosaniye dünyası erişilebilir hale geldiğine göre, bu kısa ışık patlamaları elektronların hareketlerini incelemek için kullanılabilir. Artık sadece birkaç düzine attosaniyeye kadar atım üretmek mümkün ve bu teknoloji sürekli gelişiyor.

Elektronların hareketleri erişilebilir hale geldi

Attosaniye atımları, bir elektronun bir atomdan kopması için gereken süreyi ölçmeyi ve bu sürenin, elektronun atomun çekirdeğine ne kadar sıkı bağlandığına bağlı olduğunu incelemeyi mümkün kılar. Moleküllerde ve maddedeki elektronların dağılımının bir taraftan diğer tarafa veya bir konumdan bir konuma nasıl salındığını yeniden yapılandırmak mümkündür; önceden konumları yalnızca ortalama olarak ölçülebiliyordu.

Attosaniye atımları maddenin iç süreçlerini test etmek ve farklı olayları tanımlamak için kullanılabilir. Bu atımlar atomların ve moleküllerin ayrıntılı fiziğini araştırmak için kullanılmaktadır ve elektronikten tıbba kadar birçok alanda potansiyel uygulamalara sahiptir.

Örneğin ölçülebilir bir sinyal yayan molekülleri itmek için attosaniye atımları kullanılabilir. Moleküllerden gelen sinyal özel bir yapıya, hangi molekül olduğunu ortaya çıkaran bir tür parmak izine sahiptir ve bunun olası uygulamaları tıbbi teşhisleri de içerecektir.

Çev.: Dr. Tuncay DOĞAN

Kaynak: https://www.nobelprize.org/uploads/2023/10/popular-physicsprize2023.pdf