Bir partikül ve dalga olarak davranan “ışık” fotoğraflandı
Işık hem bir partikül hem de dalga olarak davranış gösterir. Einstein döneminden bu yana bilim adamları aynı anda ışığın bu her iki yönünü de gözlemlemeye çalışıyorlar. Şimdi ise EPFL’deki bilim adamları bu ikili davranışı fotoğraflamayı başardılar.
Kuantum mekanikleri bizlere ışığın bir partikül veya dalga olarak davranabileceğini söyler. Buna rağmen şu ana kadar ışığın doğasında var olan bu iki olguyu aynı anda yakalayabilen bir deney olmamıştı. EPFL bilim adamları farklı bir deneysel yaklaşımla ışığın aynı anda hem dalga hem de bir partikül olarak davranışını fotoğrafladılar. Bu çığır açan çalışma Nature Communications’da yayınlandı.
UV ışığı metal bir yüzeye çarptığında elektronların yayılımına neden olur. Albert Einstein bu “fotoelektrik” etkiyi ışığın kendisini sadece “dalga” olarak düşünmesi ile gerçekleştiğini açıklar. Partikül ve dalga davranışı ile ilgili birçok başarılı deney yapılmış olsa da her iki davranışın aynı anda olduğu bir sonuca daha önce varılmamıştı.
Klasik etkiye yeni bir yaklaşım
Fabrizio Carbone yönetimindeki EPFL’deki araştırma ekibi ışığı görüntülemek için elektronları kullanıyor. Araştırmacılar böylelikle aynı anda hem dalga hem de bir partikül olarak davranan ışığı fotoğrafladılar.
Deney şu şekilde kurgulandı: Lazer ışığının atımı metalik bir nano-kabloda ateşlendi. Lazer, nano-kabloda şarj olmuş partiküllere enerji ekler ve titremelerine neden olur. Işık, tıpkı yoldaki arabalar gibi, bu ince kablo boyunca iki mümkün yönde yolculuk eder. Farklı yönlere hareket eden dalgalar birbiriyle buluşur ve yerinde duruyormuş gibi görünen yeni bir dalga oluşturur. Buradaki “duran dalgalar” bu deney için, nano-kablonun etrafında parlayan ışık kaynağını oluşturdular.
Tam da bu nokta deneyin püf noktasını oluşturuyor: Bilim adamları, ışığın duran dalgasını imge olarak kullanmak için nano-kabloya yakın olan elektronların dağılımını fotoğrafladılar. Elektronlar nano-kablo üzerine hapsedilmiş ışıkla etkileşime geçtiğinde ya hızlandılar ya da yavaşladılar. Bu hız değişiminin oluştuğu noktayı görüntülemek için ultra hızlı mikroskop kullanıldı. Böylelikle Carbone’nun ekibi, ışığın dalga doğasının parmak izi gibi davranan “duran dalgayı” görüntüleyebildiler.
Bu fenomen, ışığın dalgaya benzer doğasını gösterirken aynı zamanda onun partikül görünüşünü de ortaya çıkarıyor. Elektronlar duran ışık dalgasına yakın geçerken ışığın partiküllerine “fotonlara” çarpıyorlar. Bu da onların hızını etkiliyor. Bu hızdaki değişim elektron ve fotonlar arasındaki enerji “paketlerinin” (quanta) değişimi olarak açığa çıkıyor. Bu enerji paketlerindeki değişim nano-kablo üzerindeki ışığın bir partikül olarak da davrandığını gösteriyor.
Fabrizio Carnone konuyla ilgili şu açıklamalara bulunuyor: “Deney, kuantum mekaniklerini ve onun paradoksal doğasını direkt olarak filme alabileceğimizi gösteriyor. Kuantum fenomenini nano metre skalasında fotoğraflamak ve kontrol edebilmek kuantum hesaplamalarında yepyeni bir rota açacak.”
Bu çalışma Laboratory for Ultrafast Microscopy and Electron Scattering of EPFL, the Department of Physics of Trinity College (US) and the Physical ve Life Sciences Directorate of the Lawrence Livermore National Laboratory iş birliği ile gerçekleşmiştir.
Referanslar:
Piazza L, Lummen TTA, Quiñonez E, Murooka Y, Reed BW, Barwick B, Carbone F.Simultaneous observation of the quantization and the interference pattern of a plasmonic near-field. Nature Communications 02 March 2015. DOI: 10.1038/ncomms7407
Fotoğraf: EPFL
Haber kaynağı: http://actu.epfl.ch/news/the-first-ever-photograph-of-light-as-both-a-parti/