Eski tip bir film projeksiyonunun ampulü, saniyede yaklaşık 24 defa yanıp sönüyor. Tüplü bir televizyonun ekranı ise her saniye 50 veya 60 defa kare değiştiriyor. Dünyanın en hızlı kameraları, bir saniyenin trilyonda biri kadar süren kareler yakalayabiliyor ki bu süre, ışığın bir yüzeyde yavaşça ilerleyişini seyretmek için yeterli.
Bu tür kameralar hızlı olabilse de, bazı fizikçilerin kurcaladığı lazerlerin yanında hiçbir şey. Ultra kısa ışık darbelerinin dünyasına hoş geldiniz. Bunlar, kendilerini meydana getiren lazeri terk ettikten sonra saniyenin katrilyonda biri kadar süren ışık dalgaları.
Böylesine küçük zaman ölçeklerinde, tuhaf şeyler yaşanmaya başlıyor. Örneğin ışık darbeleri, genelde birbiri ardına çiftler halinde çıkıyor. Şimdiyse Almanya’daki Bayreuth ve Konstanz Üniversitelerinde çalışan fizikçiler, bu ikililerin hızının kontrol edilebildiğini keşfetmişler. Araştırmacıların çalışması üç hafta önce Optica bülteninde yayımlandı.
Ultra kısa ışıklar, genelde çok kısa ışık darbeleri üreten bir lazere dayanıyor. Oysa daha önce karşılaşmış olabileceğiniz çoğu lazer kesintisiz ışın üretiyor. Ultra kısa darbeler, gerçekten de isimlerinin hakkını veriyor: Bir femtosaniye veya bir saniyenin katrilyonda biri kadar sürüyorlar. Hatta en kısa olanların bazıları, bir attosaniye veya bir saniyenin kentilyonda biri kadar sürüyor.
İnsanların neden böyle şeylerle uğraştığını merak ediyorsanız, ultra kısa darbelerin kullanıldığı bazı yerler var. En yararlı kullanım alanlarından biri de tayf ölçümü. Bilim insanları bir ışını tayfına ayırarak, hangi renklerin veya dalga boylarının mevcut (veya kayıp) olduğuna bakabiliyorlar. Böylelikle ışığın geldiği veya içinden geçtiği maddeler hakkında bilgi toplayabiliyorlar.
Ultra kısa darbelerin tayf ölçümünde kullanılması, moleküller ile atomların ya da çok kısa sürede başlayıp sonlanan süreçlerin derinlemesine incelenmesini sağlıyor. Örneğin bu teknoloji, bilim insanlarının kimyasal tepkimeleri gerçekleştikleri sırada izleyip 1999 Nobel Kimya Ödülü’nü kazanmalarını sağlamış.
Ultra kısa darbeler, mikrometre ve hatta nanometre genişliğindeki çok küçük elektronik parçaların üretilmesinde de kullanılabiliyor. Yüksek hassasiyetli göz ameliyatlarında ve ufak stentlere biçim verilmesi gibi işlemlerde, tıpta da kullanılıyorlar.
Fakat bir lazer ultra kısa ışık darbeleri ürettiğinde, bunları genelde çiftler halinde üretiyor. Bir moleküldeki kimyasal bağlı atomlar gibi, bu “bağlaşık” darbeler de dalgalanabiliyor, ileri geri zıplayabiliyor veya ayrılıp daha ufak parçalara dönüşebiliyor.
Bayreuth Üniversitesinde fizikçi olan eş yazar Georg Herink, “Bu lazerler ile çalışan pek çok insan böyle bir şeyin gerçekleştiğini bilse de, bunun tuhaf ve olağan dışı bir şey olduğunu düşünüyor” diyor. “Kurumlar bu işletim modundan kaçınmaya çalışıyor. Sadece tek darbe olsun istiyorlar.”
Fakat bu bağlaşık darbelerin taşıdığı benzersiz özellikler, bir süredir kuramsal fizikçilerin kafasını karıştırmış. Söz konusu bağlaşmayı kontrol edip edemeyeceklerini merak etmişler. Bu sebeple Herink ve meslektaşları, (interneti birbirine bağlayanlar gibi optik cam liflerinden oluşan) bir halka yaparak lazerden fırlattıkları ışığı halkadan geçirmeye başlamışlar. Işık darbeleri daireler çizerken, araştırmacılar da bunların dönüşünü izlemişler.
Daha önce ulaşılan kısa zaman ölçeklerinde, bağlaşık darbeler çok yakından izlenememiş fakat yeni tayf ölçüm yöntemi bu durumu değiştirmiş. “Işık darbelerine, lazerde yaptıkları her gidiş gelişte bakabiliyor ve böylece söz konusu dinamiklere yönelik gerçek zamanlı bilgi toplayabiliyoruz” diyor Herink. “Böyle bir şey daha önce mümkün değildi.”
Alet çantalarına yeni bir araç ekleyen araştırmacılar, bu sayede lazere dönüp lazerin neden hatalı davrandığını anlayabilirler. Bilim insanlarının keşfettiğine göre lazerin gücünü çok kısa süreliğine azaltmak, aradaki bağın kopmasına ve iki darbenin birbirinden ayrılmasına sebep oluyor. Daha sonra gücü yeniden devreye sokarak, darbeleri uzay ve zamanda meydana gelen farklı bir ayrılmayla tekrar bağlayabiliyorlar.
Artık, diyor Herink, “darbelerin nerede olacağını tahmin edebilir ve sonrasında ayrılmalarını bile kontrol edebilirsiniz.”
Herink kendisi ve meslektaşlarının bu çalışmayı ilerleterek, kısa lazer darbelerinden oluşan dizilerin yönetilmesini sağlayan bir sistem oluşturmak istediklerini belirtiyor. Bilim insanlarının günümüzde bunu yapmak için kullandığı yöntemler, nispeten yavaş olabiliyor; yani bir saniyenin milyonda birleri kadar yavaş… Bu sürede, ölçülmek istenen atom çoktan gitmiş olabiliyor. Herink, bu işi lazere yaptırmanın çok daha etkili olduğunu söylüyor.
Yine de, ultra kısa darbe kullananların söz konusu kabiliyeti kullanacak bir alan bulup bulamayacakları belli değil. Araştırmada yer almayan ve Purdue Üniversitesinde elektrik mühendisi olan Andrew Wiener, “Benim kendi görüşüm, bu lazerlerin tek bir darbe oluşturmakta gerçekten iyi oldukları yönünde” diyor. “Bunu mümkün olduğu kadar temiz yapmak istersiniz. Dolayısıyla bence, çoğu uygulamada muhtemelen bunu yapmak istemezsiniz.”
Fakat çoğu uygulamada darbe çiftleri gerekmese bile, çiftlerin ardındaki bilimsel süreçlerin bilinmesiyle daha iyi lazerler yapılabilir. “Bence bunun detayları üzerinde çalışma yapmak ilginç olur” diyor Wiener. “İşin fiziğini gerçekten anlamak için…”
“Tüm bu etkiler tamamen anlaşılmış değil” diyor Herink.
Yazar: Rahul Rao/Popular Science. Çeviren: Ozan Zaloğlu.
