Atom ve moleküllerin içinde hızla hareket eden elektronlara net bir bakış sağlayan atosaniye fiziği, 2023 Nobel Fizik Ödülü’nün anahtarı oldu. 2023 Nobel Fizik Ödülü, elektron davranışını gözlemlemek için inanılmaz derecede hızlı ışık darbeleri üretmeyi başaran fizikçilerin çığır açan çabalarına verildi. Ohio State Üniversitesi’nden Pierre Agostini, Almanya’daki Max Planck Kuantum Optik Enstitüsü’nden Ferenc Krausz ve İsveç’teki Lund Üniversitesi’nden Anne L’Huillier ödülden eşit pay aldı.
Huillier’in çalışması, bir dizi yüksek enerjili “harmonik” üretmek için lazer tabanlı bir tekniği kanıtlayarak attosaniye ( 10-18s) biliminin yolunu açtı. Daha sonra Agostini ve Krausz tarafından yapılan araştırmalar, bu harmoniklerin çok sayıda bir araya getirilerek attosaniye darbeleri üretilebileceğini gösterdi. Fizikçiler bu inanılmaz derecede kısa ışık parıltılarını, elektronların bir madde ya da bir atom boyunca ilerlerken geçişlerini kaydetmek için kullandılar. Atosaniye araştırmaları için uygulamalar arasında kimyasal süreçlerin araştırılması ve ultra hızlı anahtarların oluşturulması yer almaktadır.
Küçük bir flaş ışığına benzer şekilde, bir lazer darbesi akışı bir maddenin belirli bir andaki hareketini izole edebilir. Bilim insanları, kimyasal süreçler sırasında atomların hareketliliğini kaydetmek için çok uzun bir süredir femtosaniye darbeleri (
10-15 s) kullanmaktadır. Geniş bir frekans aralığına ya da bant genişliğine sahip dalgaları birleştirmek ve bunların etkileşime girmesine izin vermek için, enerjilerinin genellikle kısa bir zaman aralığında yoğunlaştırılması gerekir. Ancak Louisiana Eyalet Üniversitesi’nden Mette Gaarde, “attosaniye darbeleri için femtosaniye darbelerine kıyasla çok daha fazla bant genişliğine ihtiyacınız var” diyor ve ekliyor: “Elektron hareketini takip edebilmek için bu pencereyi attosaniye zaman ölçeğine sıkıştırmanız gerekiyor.”
1980’lerde yüksek harmonik üretimin keşfedilmesiyle, bu geniş bant genişliği aniden kullanılabilir hale geldi. Güçlü bir lazer bir atom gazına ateşlendiğinde, lazer frekansından farklı frekanslara sahip çeşitli dalgalar birleşerek dışarı çıkan görünür ışığı üretir. Bu tür harmonikler sıklıkla gözlemlenir, ancak lazer tarafından üretilen harmonikler, dalgaların veya modların frekansla azalmaması bakımından tuhaftır. Öte yandan harmonik spektrum, aşırı ultraviyole (UV) bölgesinde kesilene kadar onlarca harmonik modu kapsayan sabit yoğunlukta bir plato sergiler. İspanya’daki Fotonik Bilimler Enstitüsü’nden Maciej Lewenstein’a göre, “Plato tamamen beklenmedik bir şeydi.”
Atosaniye darbelerinin gerçekleştirilmesi, bu büyük bant genişliği platosunun ve diğer yüksek harmonik üretim özelliklerinin tam olarak anlaşılmasını gerektiriyordu.
L’Huillier, Lewenstein ve meslektaşları 1994 yılında, daha önceki modellerin üzerine inşa edilen, yüksek harmonik üretimin tam bir kuantum modelini sundular. Temel süreç, güçlü lazer alanının atomun iç elektrik alan yapısını bozması ve bir elektronun dışarı tünel açmasına izin vermesiyle başlayan üç aşamalı bir süreçtir. Lazer alanı daha sonra serbest kalan bu elektronu yüksek enerjiye hızlandırır. Lewenstein’a göre en sonunda atom elektronu yeniden yakalıyor ve “yolda kazandığı tüm enerjiyi geri veriyor”. Harmonik modlar, açığa çıkan enerjinin fiziksel tezahürüdür.
L’Huillier ve Lewenstein’ın modeline göre bu ışıktan sorumlu olan şey, salınan elektronların kuantize yollarıdır.
Harmonik modların birbirleriyle etkileşime girme ve atosaniye darbeleri üretme yeteneği akla gelen ilk sorulardan biriydi. Girişime neden olmak için çeşitli atomların emisyonlarının eşgüdümlü ya da uyumlu olması gerekir. Lewenstein, atomlar birbiriyle işbirliği yapmazsa sinyalin kaotik olacağını ileri sürüyor. Atomların “faz uyumlu” ışık yaydığını ve bunun da çıktılarının koordinasyonuyla sonuçlandığını teorik olarak göstererek, 1996 yılında L’Huillier ile bir kez daha işbirliği yaptı. Özellikle, Gaarde’ın doktora öğrencisi olarak yer aldığı L’Huillier’in ekibi, bu tutarlılığı araştıran daha sonraki çalışmalarda, bireysel harmoniklerdeki tutarlı davranışın onlarca femtosaniye boyunca devam edebileceğini gösterdi.
Atosaniye atımlarının 1990’ların sonlarında yüksek harmonikle üretilen ışıkta mevcut olduğu tahmin ediliyordu, ancak bunları gerçekten tespit etmek zordu. UV ışığı cam ve diğer optik ekipmanlar tarafından hızla emildiğinden, o zamanki darbe karakterizasyon tekniklerinin çoğu bu yüksek frekanslar için uygun değildi. Lewenstein şöyle ekliyor: “Atosaniye atım dizileri olduğunu biliyorduk ama bunu deneysel olarak göstermek yaratıcı bir yaklaşım gerektiriyordu. Agostini ve Krausz’un çalışmaları bunda rol oynadı.
Agostini ve arkadaşları tarafından geliştirilen RABBIT yöntemi, yüksek harmonik ışığı bir gaz hedefine yoğunlaştırıyor ve burada birincil tahrik lazerinden gelen ışıkla birleşiyor. Gazın atomları, araştırmacıların toplayabildiği elektronları fırlatarak eklenen ışığa tepki veriyor.
Elektronların varış süreleri, ekibin yüksek harmonik ışığının bir dizi 250 atım saniyelik darbeden oluştuğunu ortaya çıkardı. Ayrı bir yaklaşımla, Krausz ve meslektaşları sistemlerini, yüksek harmonik üretim süreci sırasında yalnızca bir atım üretilecek şekilde kalibre ettiler. Deneylerinde 650-attosaniye atımların meydana geldiğini, çizgi çizme olarak bilinen atım ölçme tekniğini kullanarak doğruladılar.
Ölçümleri kesinleştikten sonra artık attosaniye darbelerini kullanmanın zamanı gelmişti. İlk kullanımlardan biri, bir madde yeterince yüksek frekansta ışığa maruz kaldığında serbest elektronların oluşması olan fotoelektrik etkinin araştırılmasıydı. Araştırmacılar, attosaniye darbeleri kullanarak bir maddeden bir elektronun serbest kalmasının ne kadar sürdüğünü hassas bir şekilde ölçebiliyorlardı.
Daha sonraki gelişmeler, attosaniye araştırmacılarının kimyasal reaksiyonlar sırasında bir atom veya molekül içindeki elektronların hareketini izlemelerini mümkün kıldı. Gaarde’ye göre, önümüzdeki beş ila on yıl içinde bu attosaniye “elektron filmlerinden” çok daha fazlası olacak. Katı malzemelerin attosaniye atımlarla incelenmesi ve bunun sonunda malzeme özelliklerinin atım tabanlı kontrolüne yol açması ihtimali de onu heyecanlandırıyor.
L’Huillier, Nobel Fizik Ödülü’nü alan beşinci kadın. Gaarde onu “harika bir rol model” olarak nitelendiriyor. Lewenstein ise “[2023 ödül sahiplerinin] hepsinin fantastik fizikçiler olması, tüm attosaniye bilimi alanı için çok güzel bir şey” diyor.
Kaynak: physics aps org/articles
