Işığın Gücü Adına: 2018 Nobel Fizik Ödülü “Işıkla Yapılan Cihazlar” yaratan 3 bilim insanına verildi

Ödüle değer görülen bilim insanlarından Donna Strickland, 1963 yılından bu yana fizik ödülünü kazanan ilk, tarihteki ise üçüncü kadın oldu.

55 yıl sonra İsveç Kraliyet Bilimler Akademisi nihayet Nobel Fizik Ödülünü kazanan üçüncü kadını duyurdu. Kanada’daki Waterloo Üniversitesi’nde fizikçi olan Donna Strickland, “ışıkla yapılan cihazlar” yaratma dolayısıyla bu yılın fizik ödülünü Bell Laboratuvarları’ndan Arthur Ashkin ve Fransa’daki Palaiseau, École Polytechnique’ten Gérard Mourou ile paylaştı.

Üçlü, “lazer fiziği alanında yaptıkları çığır açan buluşları” dolayısıyla ödüllendirildi. Ashkin partikülleri, atomları ve diğer canlı hücreleri tutabilen, keskin bir şekilde odaklanmış ışık demetleri olan “optik cımbızı” buldu. Optik cımbız, şu anda tüm dünyadaki biyolojik laboratuvarlarda yaygın olarak kullanılan bir cihaz.

Mourou ve Strickland, son derece kısa ve yoğun lazer darbesi (laser pulses) patlamaları oluşturmak için lazer ışığının nasıl uzatılacağını ve yükseltileceğini buldukları için ödül kazandı.

Akademi basın açıklamasında bu birleşik çalışmanın “keşfedilmemiş araştırma alanları ile çok sayıda endüstriyel ve tıbbi uygulamayı açan” devrim niteliğindeki doğasına değindi.

Bir muhabir, tarihte bu ödülle onurlandırılan üçüncü kadın olmanın ne hissettirdiğini sorunca Strickland, “Gerçekten mi?” diye karşılık verdi. “Hepsi bu kadar mı? Daha fazla olabileceğini sanıyordum.” Ardından şunları ekledi: “Ne diyeceğimi bilmiyorum. Bu kadınlardan biri olduğum için gurur duyuyorum.”

1903’te Marie Curie, bu ödülü radyoaktivite üzerine çalışmaları dolayısıyla eşi Pierre Curie ve Henri Becquerel ile paylaşmıştı. Maria Goeppert-Mayer ise atom çekirdeklerinin kabuk yapısı çalışması dolayısıyla 1962’de ödülü E. Paul Wigner ve Hans Jensen ile paylaştı.

Uyarılmış salınım
Bu yıl Nobel ödülü yüz yıllık bir araştırmanın doruk noktasındaki bir çalışmaya verildi.

Temelini oluşturan teknolojinin tam olarak gelişmesi biraz zaman alsa da lazerler günümüzde oldukça yaygın. DVD oynatıcılar ve marketlerdeki barkod tarayıcılarındaki lazerler, optik iletişim ve veri depolamanın yanı sıra dövme sildirme ve göz ameliyatları gibi geniş bir alanda kullanılıyor.

Lazerlerin sanayideki faydalarını saymak ise mümkün değil. Dolayısıyla hayatımızın merkezinde yer alan lazerleri kanıksayarak bu becerikli teknolojinin bilim ve teknolojik gelişimi ne kadar dönüştürdüğünü unutuyoruz.

Albert Einstein ilk olarak 1917 tarihli bir makalede lazerlerin temelini oluşturan “uyarılmış salınım” kavramını ortaya koydu. Verili bir maddedeki (diyelim yakut ya da lal taşı gibi bir kristal ya da bir tür gaz veya sıvı) atom veya moleküllere yoğun ışık veya elektrik ışını uygulamak mümkündür. Bu “depolama” sonunda temel durumda bulunandan daha fazla atom uyarılmış durumda bulunur. Gelen başka bir foton uyarılmış atoma çarparsa bu atomu tekrar temel durumuna döndürebilir. Atom, bombardıman eden fotonla aynı yönde ve aynı frekansta ikinci bir foton yayar. Bu yeni foton enerji yüklenmiş başka bir atoma çarparak başka bir fotonun salınmasına yol açabilir ve tüm atomlar hızlı bir zincir reaksiyonla enerjisini boşaltana dek bu böyle sürer.

Aslında lazeri kimin bulduğu bir tartışma konusu. Çoğunlukla buluşla en fazla ilişkilendirilenler Bell Laboratuvarları fizikçileri Charles Townes ve Arthur Schawlow olsa da patent haklarını başarılı bir davanın ardından Columbia Üniversitesi bilim insanı Gordon Gould ile paylaştılar. (Lazerin öncülü olan ve sadece mikrodalga sisteminde çalışan maser’i buldular.)

1950’ler ve 1960’larda Hughes Aircraft Company’de çalıştığı sıralarda, lazerin bulunuşuyla sıklıkla ilişkilendirilen bir diğer fizikçi de Theodore Maiman’dır. Townes ve Schawlow’un 1958 tarihli teorik çalışmasına dayanarak ilk çalışan katı-hal lazerini yaratmıştır. Yakut kristalinin kullanıldığı bu lazer, 1960 Mayısında başarılı bir şekilde çalıştırılarak sergilendi. Townes daha sonra “Maiman’ın lazeri, hem bizim teorik makalemizde göz önünde bulundurmadığımız hem de yakut tanıtımından önce kimsenin tartışmadığı birkaç önemli unsura sahipti,” diye itirafta bulunur. Lazer o zamandan bu yana bilim için bir lütuf.

Bir ışık tuzağı
Optik cımbız bir zamanlar bilim kurgu alanına giriyordu, en başta gelen de Star Trek (Uzay Yolu) filmiyle özdeşleşmiş, ışınlanan kişinin ya da nesnenin üzerine vuran ışık hüzmesiydi.

Fakat Arthur Ashkin’in bir hayali vardı; bir gün lazer ışığı ışınlarını küçük nesneler taşıyabilmek için kullanmak. Işık enerjisi, bırakın bir uzay gemisini, insanı taşıyacak kadar güçlü değil fakat Ashkin bu gücün küçük parçacıkları itmek için yeterli olabileceğini düşündü. Bunu da minik şeffaf kürelerle yapmayı başardı. Kürelerin, lazer ışınının en yoğun olduğu orta kısma doğru yönelidiğini fark etti.

Bu, ne kadar keskin bir şekilde odaklanmış olursa olsun, ışının yoğunluğu merkezden yanlara doğru azalması nedeniyle gerçekleşiyordu. Dolayısıyla lazer ışığı da kürelere düzensiz basınç uygulayarak onları merkeze doğru itiyordu. Hatta lazer ışınını yukarı doğru yönelterek küreleri havaya yükseltmek mümkündü. Basın toplantısı sırasında bir Nobel kurulu üyesi unutulmaz şekilde saç kurutma makinesi kullanıp bir pinpon topunu havada tutarak bunun nasıl işlediğini gösterdi.

Ashkin daha sonra bir farklılık daha kattı: Lazer ışığını daha fazla odaklamak ve bu sayede parçacıkları ışının merkezinde tutarak tuzaklamak için güçlü bir lens kullandı. İşte sonuç! Optik cımbız. Birkaç yıl daha süren çalışmanın ardından Ashkin nihayet tekil atomları tutmayı başardı. Kendi doğal ısı titreşimlerine de sahip olan atomu yakalamak için daha fazla kuvvet gerekiyordu. Ashkin, atomları lazer ile soğutmak ve tuzaklamak için optik cımbızı diğer yöntemlerle birleştirerek bu zorlukların üstesinden gelebileceğini anladı.
Bu öncü biyolojik uygulamalar ise neredeyse şans eseri gerçekleşti. Ashkin, optik cımbızıyla mozaik virüs örnekleri dahil olmak üzere daha küçük parçacıkları tuzaklama deneylerini sürdürdü. Bir gece örnekleri açık bıraktı. O sabah mikroskopla incelediğinde örnekte daha büyük pek çok parçacık fark etti: Bunlar bakteriydi. Bakteriler de her yakınından geçtiklerinde ışık tuzağına yakalanmıştı. Yeşil lazer ışınının yoğunluğu bu düzensiz bakterileri öldürmüştü fakat kızılötesi ışıkla değiştirildiğinde bakterilerin hayatta kalabildiğini ve çoğalabildiğini gördü. Lazer cımbızlar artık fen bilimlerinde bir laboratuvar standardı.

Gerilmiş darbeler
Lazerler pek çok potansiyel uygulamalara sahipti ancak ışınların ne kadar yoğun (örneğin, ışığın dalga boyunun ne kadar kısa) olabileceğinin sınırları vardı. Belli bir enerji eşiğinin üzerinde ışınlar yükseltici maddeyi tahrip ediyordu.

1980’lerde Strickland, Mourou’nun Rochester Üniversitesi’ndeki laboratuvarında yüksek lisans öğrencisiyken kısa bir lazer darbesini, en yüksek güce ulaştığında azaltıp uzatarak bu zorluğun üstesinden gelebileceklerini fark ettiler. Bu yolla yükseltici materyale hasar vermeden darbenin gücünü artırabildiler. Bunun ardından darbe tekrar sıkıştırılarak çok küçük bir alanda daha fazla ışık bir araya getirilebildi ve böylece darbenin yoğunluğu önemli ölçüde artırıldı.

Bu teknik gerilmiş darbe amplifikasyonu (CPA) olarak biliniyor ve şu anda fizik, kimya ve tıp alanında yaygın olarak kullanılıyor. Örneğin, bu yoğun olağanüstü kısa darbeler, saniyenin milyarda birinin milyonda biri kadar sürede gerçekleşen, moleküller ve atomlar arasındaki etkileşimleri yakalamayı mümkün kılıyor. Bunu dünyanın en hızlı fotoğraf makinesi olarak düşünün. Ayrıca yüksek yoğunluklu lazerler, yalıtkanları iletkenlere dönüştürebiliyor, çeşitli malzemeler üzerinde son derece hassas şekilde kesme ve delik açma işlemi yapabiliyor veya lazerli göz ameliyatı gerçekleştirilebiliyor. Ufukta daha pek çok uygulama var.

İsveç Kraliyet Bilimler Akademisi, aday seçimlerinde cinsiyet, coğrafya ve araştırma alanları açısından daha fazla çeşitliliği teşvik edecek bir girişimi de duyurdu. Bu oldukça iyi bir haber. Umarız, başka bir kadının veya yeterince temsil edilemeyen diğer bir grup üyesinin fizik alanında Nobel Ödülü aldığını görmek için bir 55 yıl daha geçmez.

Haber kaynağı: https://arstechnica.com/science/2018/10/2018-physics-nobel-prize-honors-3-including-first-woman-in-55-years/