#2023Nobel Fizik ödülü attosaniye ölçeğinde ışık atımlarını üretebilen teknolojinin geliştirilmesine verildi.

Artık elektronların dünyasına giriyoruz!

Bu sayede ilk defa elektronun madde içerisindeki dinamiklerini, daha önce hiç ölçemediğimiz kadar hassas ölçebilecek ve göremediğimiz şeyleri anlamaya başlayacağız. Einstein’a Nobel ödülü getiren fotoelektrik olaya daha yakından, yavaş çekim olarak bakabileceğiz. Bu sayede daha hızlı elektronikler geliştirecek, tıpta önemli ilerlemeler kaydedeceğiz. Peki ama nasıl?

Gündelik hayatımızda saniyeyi bile pek kullanmıyoruz. Hassas zaman gerektiren yarışlarda bile milisaniye, yani saniyenin binde biri ölçeği bizim için fazlasıyla yeterli. İşte milisaniye saniyenin binde biri. İşler biraz daha ciddiye binince, onun da binde biri olan mikrosaniye ölçeğine gidiyoruz. Proteinlerin katlanması bu zaman ölçeğinde gerçekleşiyor ya da bir müon parçacığının ömrü bu civarlarda. Bir kere daha bine bölersek, nanosaniyeye gidiyoruz. Artık bu ölçekte gerçekleşen olaylara verebileceğim örnekler atomik düzeylerde. Birkaç nanosaniyede ışık, odamda bir uçtan öbürüne ulaşıyor. Bu atomdan çok daha büyük bir ölçek. O yüzden bu yeterli değil.

Işık atom içerisinde bir noktadan diğerine giderken ne kadar süre geçiyor? Bir kere daha bine bölelim! Pikosaniye. Yetmedi, ışık bu sürede 0.3 mm yol kat ediyor. Gözümle göreceğim neredeyse. Bir kere daha bine bölelim. Femtosaniye… Görünür bölgedeki ışığın periyodu birkaç femtosaniye aralığına düşüyor. Ortalama bir kimyasal reaksiyonun süresi bu mertebelerde.

İşte fizikçiler için uzun bir süre femtosaniye bir limitti. Moleküldeki atomlar femtosaniye ölçeğinde hareket ediyor olmalarına rağmen, önemli bir şey bundan daha hızlı hareket ediyor: Elektron.

Elektron femtosaniye mertebesinde çok hareketli. Dolayısıyla ona baktığımız zaman bir nevi bulanık bir görüntüyle karşılaşıyoruz. İşte attosaniye fiziğiyle elektronun dinamiğini bu şekilde daha iyi anlayabileceğiz.

Einstein’a Nobel ödülü getiren fotoelektrik olayı hatırlayalım. Işık, yani fotonlar, bir materyale çarptığında oradan elektron koparıyorlar. Einstein bunu 120 yıl kadar önce buldu ve o günden bugüne teknolojimizi şekillendirdi. Şimdi çok basit bir soru soralım: Burada ışık, elektrona çarptığında tam olarak ne oluyor? Misal o elektron oradan anında mı fırlıyor? Yoksa önce foton soğuruluyor, biraz zaman geçiyor, elektron sonra mı fırlıyor? İşte bu kadar basit bir soruyu sorsaydınız, uzunca bir süre muhtemelen şu cevabı alırdınız: Elektron anında fırlıyor. Ama kimse emin değildi. Fizikçilerin böyle düşünmüş olmaları şaşırtıcı değil, çünkü bu zaman ölçeklerine erişmek o zamanlar imkansızdı. İşte attosaniye fiziği ölçümleri sayesinde, bu tür olayları daha yakından görmek mümkün hale geldi. Bu ölçeklerde her şey donukmuş gibi duruyor.

Atomun etrafında bulunan elektron, bir alanın içerisinde hapsolmuş durumda. Bu yüzden atomu tek başına terk edemiyor. Fakat yüksek güçlü infrared lazerden gelen alan sayesinde elektron, bu potansiyel bariyerini kuantum tünelleme yoluyla aşıyor. Normalde bizler duvardan geçemiyoruz ama parçacıklar kuantum tünelleme yoluyla bu tür bariyerleri aşabiliyorlar. Hatta yıldızların içerisinde gerçekleşen nükleer reaksiyonları buna borçluyuz. Neyse, bu lazerden gelen alan öyle ki, elektron tam alıp başını gidecekken tam ayarında değişiyor ve elektron geri ivmeleniyor. Geriye, ilk haline döndüğünde de bir sürü ekstrem ultraviyole foton yayıyor. Bu sürece high-harmonic generation (HHG) adı veriliyor.

İşte bu oluşan moröte HHG’ler, doğru koşullar altında hassas bir şekilde ayarlanırsa, hepsi bir araya geldiğinde birleşiyor ve attosaniyelik pulseları, atımları oluşturuyor. Tıpkı bir gitarın telleri gibi. Her biri ayrı ayrı farklı frekanslarda çalsalar da, bir arada çaldıklarında birleşerek bir tını oluşturuyorlar. İşte o tını, elektronun dinamiğini anlamamıza yardımcı olacak.

Anne L’Huillier, 2023 Nobel Fizik Ödülünü paylaşan üç kişiden biri. Attosaniye ölçekte atımlar üretebilmemiz için gerekli ilk teorik hesaplamalar onun ekibinden 1987 yılında çıkıyor. Oluşan spektrumu deneylerle örtüşecek şekilde tahmin etmeyi başarıyorlar.

Nobel’i paylaşan diğer iki kişiden Pierre Agostini, 2001’de ilk defa 250 attosaniye süren ardışık ışık atımları oluşturmayı başarıyor. Aynı sırada Ferenc Krausz da farklı bir deney üzerinde çalışırken 650 attosaniye süren tek bir atım oluşturmayı başarıyor.

Peki o kadar anlattık elektronu izleyip, daha iyi anlayacağız diye. Bu durum Heisenberg’ün belirsizlik ilkesi ile çelişmiyor mu? Tam aksine L’Huillier’in yaptığı hesaplamalar da kuantum mekaniğinin baş tacı olan Schrödinger denkleminin çözümlerinden geliyor.

Evrenin hımmlayan sesini duyduktan sonra, bir de elektronun atımlara… Verdiği tepkiyi ölçeceğiz.

Tüm evrenin varlığı boyunca tek bir kalp atışına odaklanacağız.

Araştıran ve Yazan: Ögetay Kayalı
Kurgulayan: Alperen Çatak
Düzenleyen ve Sunan: Barış Özcan

Videonun tüm metni ve kullanılan kaynaklar:
https://barisozcan.com