Ana sayfa 134. Sayı Işığın parçacık ve dalga doğası ilk kez eşzamanlı olarak görüntülendi

Işığın parçacık ve dalga doğası ilk kez eşzamanlı olarak görüntülendi

273
PAYLAŞ
Nanotel üzerinde haspedilmiş ışığın uzaysal girişim desenini ve enerji kuantizasyonunu eşzamanlı olarak gösteren enerji-uzay fotoğrafı. Kaynak: Fabrizio Carbone/EPFL

Çeviren: Cem Oran

Kuantum mekaniğinin ortaya koyduğu üzere ışık, doğası gereği hem parçacık hem de dalga davranışı gösterir. Einstein zamanından beri deneyciler ışığın bu ikili davranış biçimini eşzamanlı olarak gözlemenin yollarını arıyor. Sonunda geçtiğimiz günlerde, EPFL’den (École Polytechnıque Fédérale De Lausanne) biliminsanları bu hedefe ulaştı ve ışığın ikili davranışını ilk kez tek bir karede görüntülemeyi başardı. Deney yaklaşımında radikal bir değişikliğe gidilerek elde edilen bu tarihi çalışma Nature Communications dergisinde yayımlandı.

20. yüzyılın başlarına kadar ışığın dalga kuramı bilim dünyasında genel kabul görüyordu. Fakat bu kuram morötesi ışınların metal bir yüzeye çarptırılmasıyla yüzeyden elektron salınımına neden olmasını açıklamakta yetersiz kalıyordu. Einstein “fotolektrik etki” ismiyle bilinen bu durumu ışığın parçacık doğası ile açıklığa kavuşturdu. Bu başarıyı takip eden yıllarda gerçekleştirilen deneylerde ışığın hem dalga hem de parçacık davranışı ayrı ayrı başarı ile gözlenebilmişken, eşzamanlı olarak bu ikili davranışı yakalamak mümkün olmamıştı.

Klasik bir olgu için yeni bir yaklaşım

EPFL’den Fabrizio Carbone’nin önderliğinde gerçekleştirilen deneyde, bir lazer atımı ile oldukça ince bir nanotel vuruluyor. Lazer nanotel üzerindeki yüklü parçacıklara enerji aktararak titreşmelerine neden oluyor. Tel üzerinde tıpkı bir otobanda olduğu gibi ışığın ilerleyebileceği sadece 2 yön var. Ters yönde hareket eden dalgalar birbirleriyle karşılaştıkları zaman durağanmış gibi görünen yeni bir dalga oluşturuyor. Buna ışığın durağan dalgası deniyor.

Deneyin esprisi tam da burada: Işık dalgasını görüntülemek için elektronlar kullanılıyor. Deneyciler durağan dalgayı gözleyebilmek için bir elektron demeti ile nanotel üzerindeki dalgayı vuruyor. Elektronlar nanotel üzerinde hapsedilmiş fotonlar ile etkileşime girdiğinde, birbirinden ayrı fotonların (etkileşim biçimine göre) ya hızlanmasına ya da yavaşlamasına neden oluyor. Işık dalgasının aslen birbirinden ayrık parçacıkların bir zincirinden meydana gelmesi araştırmacılara durağan dalgayı ve uyarılmış fotonları özel olarak gözleme imkânı veriyor. Bu sayede, Carbone’un ekibi ultra hızlı bir mikroskop aracılığıyla hız değişiminin meydana geldiği konumu görüntüleyerek ışığın dalga doğasının bir parmakizi niteliğinde olan durağan dalgayı görselleştirdi.

Bu olay ışığın dalga doğasını gösterirken, aynı zamanda parçacık davranışını da ortaya koyuyor. Elektronlar ışığın durağan dalgasının yakınından geçerken, ışığın parçacıkları olan fotonlara çarpıyor. Yukarıda bahsedildiği gibi, bu durum onların hızlarını etkileyerek, hızlanmalarına veya yavaşlamalarına neden oluyor. Hızdaki bu değişim elektronlar ile fotonlar arasındaki enerji paketi (kuanta) değiştokuşu olarak görülüyor. Bu enerji paketçiklerinin varlığı nanotel üzerindeki ışığın parçacık davranışı gösterdiğine işaret ediyor.

Carbone bu konuda “Bu deney şimdiye kadar ilk kez kuantum mekaniği ve onun paradoksal doğasını gözleyebileceğimizi ispatladı” diyor. Bu öncü çalışmanın önemi, temel bilimlerden geleceğin teknolojisine kadar kendini gösterecek gibi görünüyor. Carbone’un açıkladığı gibi “Kuantum olgularını bunun gibi nanometre ölçeğinde görüntüleyebilmek ve onları kontrol edebilmek ‘kuantum hesaplama’ alanında yeni ufuklar açabilir.”

Kaynaklar

1) http://www.sciencedaily.com/releases/2015/03/150302104731.htm

2) http://www.iflscience.com/physics/researchers-image-wave-particle-duality-light-first-time-ever