2023 Nobel Fizik Ödülü: Işığın En Kısa Anları Yakalaması

2023 Fizik Nobel Ödülü Pierre Agostini, Ferenc Krausz ve Anne L’Huillier’e “madde içinde elektron dinamiklerinin incelenmesi için geliştirdikleri, attosaniye ışık darbeleri üreten deneysel yöntemler” nedeniyle verildi.

Araştırmacılar elektronların hareket ettiği veya enerji değiştirdiği hızlı süreçleri ölçmek için kullanılabilecek son derece kısa ışık darbeleri oluşturmanın yolunu gösterdiler.

1987 yılında, Anne L’Huillier, kızılötesi lazer ışığını bir soy gazın içinden geçirdiğinde birçok farklı üst tonların ortaya çıktığını keşfetti. Her üst ton, lazer ışığının her bir döngüsü için belirli bir dizi döngüye sahip bir ışık dalgası olarak nitelendirilir. Bunlar, lazer ışığının gazdaki atomlarla etkileşime girmesi sonucu ortaya çıkar; bu, bazı elektronlara fazladan enerji verir ve bu enerji daha sonra ışık olarak yayılır. Anne L’Huillier bu fenomen üzerinde çalışmaya devam etti ve bu keşfi sonraki çığır açan buluşlar için temel oluşturdu.

2001 yılında Pierre Agostini, ardışık ışık darbeleri dizisi üretmeyi ve incelemeyi başardı; her bir darbe yalnızca 250 attosaniye sürüyordu. Aynı zamanda, Ferenc Krausz da başka bir deney üzerinde çalışıyordu ve o da 650 attosaniye süren bir tek ışık darbesini izole etmeyi başardı.

Bu yılki ödül sahiplerinin çalışmları sayesinde, daha önce takip edilmesi imkânsız olan son derece hızlı süreçlerin incelenmesine olanak sağlandı.

Hızlı hareketlerden oluşan olaylar, insanlar tarafından gözlemlendiğinde, birbirine bağlanıp tamamen hareketsiz görüntülerden oluşan bir film gibi algılanırlar. Gerçekten kısa süreli olayları incelemek istiyorsak özel teknolojiye ihtiyacımız vardır. Elektron dünyasında değişiklikler bir attosaniyenin onda birlik dilimlerinde meydana gelir – bir attosaniye o kadar kısadır ki, bir saniyenin içinde evrenin doğduğu zamandan bu yana geçen saniyeler kadar çok attosaniye vardır.

Ödül sahiplerinin deneyleri, attosaniyelerle ölçülebilecek kadar kısa ışık darbeleri üretmiş ve böylece bu darbelerin atomlar ve moleküller içindeki süreçlerin görüntülerini sağlamak için kullanılabileceğini göstermiştir.

Atomların ve moleküllerin içinde elektronlar aşırı yüksek hızlarda dolaşırlar. İleri geri hareketlerini yakalamak yalnızca son derece kısa ışık darbeleriyle mümkündür. Bu, yalnızca attosaniyeler veya saniyenin milyarda birinin milyarda biri kadar süren bir kamera flaşına benzer.

Yüksek hızda dönen bir pervaneyi düşünün; çıplak gözle baktığınızda her kanat bulanık görünür. Ancak pervaneye bir hızla yanıp sönen bir flaş tutarsanız, her flaş, zamanda donmuş bir anı aydınlatacaktır. Flaşlar kısaldıkça fan hakkında daha fazla bilgi ortaya çıkar.

Bilim insanları bu tekniği atomların ve moleküllerin içindeki elektronların davranışını araştırmak için kullandılar. Örneğin, ışığın bir elektronu atomdan ayırdığı fotoelektrik etkinin zaman çizelgesini ve elektronların aşılmaz gibi görünen bariyerlerden geçtiği kuantum tünellemenin ayrıntıları ortaya çıkarıldı.

Bu teknik aynı zamanda moleküllerin davranışını da ortaya çıkarıyor. Bazı malzemelerin neden yüksek sıcaklıklarda süper iletken olduklarını anlamaktan fotovoltaik uygulamalara, ışıktan enerji toplamaya kadar birçok uygulama alanını düşünebilirsiniz.

Fizik Nobel Komitesi Başkanı Eva Olsson, “Şimdi elektronların dünyasına giden kapıyı açabiliriz. Attosaniye fizik, bize elektronlar tarafından yönetilen mekanizmaları anlama fırsatı sunuyor. Sonraki adım, bunları kullanmak olacak” diyor.