2023 Fizik Nobel Ödülü: Attosaniye atımlar

Einstein’ın ortaya koyduğu bu süreçte atomların üzerine gönderilen ışık, atomlarla etkileşime girerek elektronları koparmaktadır. Bu süreç o kadar hızlı gerçekleşmektedir ki, elimizde bu süreci detaylı şekilde gözlemleyecek teknoloji bulunmadığı dönemlerde anlık olarak gerçekleştiğini kabul ediyorduk. Attosaniye fiziğindeki gelişmeler bu anlık süreci zamana yayılmış olarak gözlememize imkân vermektedir.

1901 yılından bu yana her yıl insanlığa olan üstün hizmetleri ödüllendirmek amacıyla verilen Nobel ödülleri, bu yıl da sahiplerini buldu. Geçtiğimiz günlerde açıklanan 2023 Fizik Nobel ödülü, attosaniye ışık atımlarını üreterek atom ve moleküllerin içerisindeki elektronların dinamiklerinin anlaşılmasını mümkün kılan çalışmaları nedeniyle Pierre Agostini, Ferenc Krausz ve Anne L’Huillier’e verildi¹.

Attosaniye ışık atımlarını tanımak, hangi gelişmelerin önünü açabileceğini ve hangi fiziksel olayları aydınlatabileceğini anlamak için, bu zaman ölçeğine biraz odaklanalım. Bir attosaniye, saniye, yani saniyenin kentilyonda biridir. Ya da bir saniyenin milyarda birinin milyarda biri olarak da ifade edilebilir. Bu süre o kadar kısadır ki, evrenin yaşı ile karşılaştırıldığında, bir saniye içerisindeki attosaniye sayısı, evrenin oluşumundan bugüne kadar geçen saniye sayısından daha fazladır.

Bu kadar kısa süreler içinde gerçekleştiğini bildiğimiz fiziksel olayların başında elektronların hareketi gelir. Bir fotonun moleküler hidrojenin bağ uzunluğunu katetmesi için gereken süre yaklaşık 0.25 attosaniye iken², bir elektronun atomlar arası mesafeyi katetmesi için gereken süre 320 attosaniyedir^3,4. Eğer bu süreçleri incelemek istersek, benzer mertebede zaman ölçeklerine sahip ölçüm teknolojilerine ihtiyaç duyarız. Aksi halde, aslında zamana yayılan bu süreçleri “anlık” olarak gözlemleriz.

Günümüzde, bu mertebelere en yakın teknolojik sistemler atımlı lazerlerdir. Lazerin keşfinden sonra geliştirilen Q-anahtarlama ve mod-kilitleme yöntemleriyle oldukça hızlı ışık atımlarının üretilebileceği keşfedilmiş, hatta 2018 Nobel Fizik ödülüne layık görülen “Frekans-Modülasyonlu Atım Yükseltme (Chirped Pulse Amplification)” teknolojisi ile birkaç femtosaniyelik ( s) atımlar elde edilebilmiştir. Ancak bu bile elektronların hareketini yakalayabilmek için yeterince hızlı değildir.

Peki, çok daha hızlı attosaniye ışık atımları nasıl elde edilir? Bu soruya verdikleri cevap ile Pierre Agostini, Ferenc Krausz ve Anne L’Huillier 2023 Nobel Fizik Ödülünü kazandı. Lund Üniversitesinden Anne L’Huillier, 1987 yılında yaptığı çalışmada kızılötesi lazerin bir gaza gönderilmesiyle çeşitli dalga boylarında ışığın üretilebileceğini gösterdi⁵. Üretilen bu diğer dalga boyları, bir müzik enstrümanındaki karakteristik sesleri veren üst seslere benzemektedir. Yüksek-harmonik üretimi olarak adlandırılan bu etki, ışığın gazdaki elektronlarla etkileşimi sonucu meydana gelir ve ilk olarak L’Huillier ve araştırma ekibinin çalışmasıyla ortaya konmuştur. Bu harmonikler doğru kombinasyonlarda bir araya geldiklerinde çok kısa ışık atımlarının oluşumuna neden olabilmektedirler.

Ohio State Üniversitesinden Pierre Agostini, 2001 yılında, bu yöntemle her biri sadece 250 attosaniye süren bir dizi ışık atımını üretmeyi başarmıştır⁶. Aynı yıl, Max Planck Enstitüsü’nden Ferenc Krausz ve araştırma ekibi X-ışını bölgesinde ve sadece 650 attosaniye süren tek bir ışık atımını yine bu yöntemle üretmeyi başarmıştır⁷. Bu çalışmaların liderliğini yaptığı birçok çalışma neticesinde günümüzde onlarca attosaniye mertebesinde atımlar üretilebilmekte ve bu teknolojiyi daha da ileriye taşıyacak araştırmalar devam etmektedir. Şu ana kadar elde edilebilmiş en kısa ışık atımı 43 attosaniye ile X-ışınları bölgesinde elde edilmiştir⁸.

Tüm bu heyecan verici gelişmelerin akla getirdiği en önemli soru şu: Attosaniye atımlar neleri mümkün kılıyor? Günümüzde bilim insanları, attosaniye ışık atımlarını elektronların atom içerisindeki hareketini gerçek zamanlı olarak izleyebilmek amaçlı kullanmaya başladı. Örneğin, 1905 yılında A. Einstein’in ortaya koyduğu ve modern fiziğin temelini oluşturan fotoelektrik etkinin nasıl gerçekleştiğini gerçek zamanlı olarak izleyebilmek ve zaman haritasını çıkarmak attosaniye atımlar ile mümkün olmuştur⁹. Einstein’ın ortaya koyduğu bu süreçte atomların üzerine gönderilen ışık, atomlarla etkileşime girerek elektronları koparmaktadır. Bu süreç o kadar hızlı gerçekleşmektedir ki, elimizde bu süreci detaylı şekilde gözlemleyecek teknoloji bulunmadığı dönemlerde anlık olarak gerçekleştiğini kabul ediyorduk. Attosaniye fiziğindeki gelişmeler bu anlık süreci zamana yayılmış olarak gözlememize imkân vermektedir.

Bu süreçlere verilebilecek diğer bir örnek kuantum tünellemedir. Kuantum tünellemede elektronların aşılamaz görünen bariyerlerden geçtiği bilinmektedir ve yine bu sürecin zamana yayıldığı ve gözlenebildiği attosaniye fiziği ile ortaya çıkmıştır¹⁰.

Tüm bu süreçleri izleyebilmek onları daha iyi anlamamızı, daha da önemlisi kontrol edebilmemizi sağlar. Şu ana kadar gerçekleştirilen tüm bilimsel dönüm noktaları bu şekilde gerçekleşmiştir ve attosaniye bilimi için de bu farklı olmayacaktır. Geleceğin hangi etkileyici uygulamaları getireceği, attosaniye atımların hangi fiziksel dinamikleri aydınlatacağı şu an için tam bilinemiyor olsa da çok heyecan verici zamanların bizi beklediğini söyleyebiliriz.

Referanslar

1. Attosecond spectroscopy wins 2023’s Nobel Prize in Physics”. Big Think. 3 October 2023. Retrieved 3 October 2023.
2. Grundmann, Sven; Trabert, Daniel; et al. (16 October 2020). “Zeptosecond birth time delay in molecular photoionization”. Science. 370 (6514): 339–341. arXiv:2010.08298. Bibcode:2020Sci…370..339G. doi:10.1126/science.abb9318. PMID 33060359. S2CID 222412229. Retrieved 17 October 2020.
3. Merali, Zeeya (20 July 2005). “Electron timed hopping between atoms”. New Scientist. Archived from the original on 11 May 2016.
4. Föhlisch, A.; Feulner, P.; et al. (21 July 2005). “Direct observation of electron dynamics in the attosecond domain”. Nature. 436 (7049): 373–376. Bibcode:2005Natur.436..373F. doi:10.1038/nature03833. PMID 16034414. S2CID 4411563.
5. M. Ferray et al. Multiple-harmonic conversion of 1064 nm radiation in rare gases. Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics. Vol. 21, February 14, 1988, p. L31. doi: 10.1088/0953-4075/21/3/001.
6. P.M. Paul et al. Observation of a train of attosecond pulses from high harmonic generation. Science. Vol. 292, June 1, 2001, p. 1689. doi: 10.1126/science.1059413.
7. Hentschel, M., Kienberger, R., Spielmann, C. et al. Attosecond metrology. Nature 414, 509–513 (2001). https://doi.org/10.1038/35107000
8. Thomas Gaumnitz, Arohi Jain, Yoann Pertot, Martin Huppert, Inga Jordan, Fernando Ardana-Lamas, and Hans Jakob Wörner, “Streaking of 43-attosecond soft-X-ray pulses generated by a passively CEP-stable mid-infrared driver,” Opt. Express 25, 27506-27518 (2017).
9. M. Schultze et al. Delay in photoemission. Science. Vol. 328, June 25, 2010, p. 1658. doi:  10.1126/science.1189401.
10. N. Camus et al. Experimental evidence for quantum tunneling time. Physical Review Letters. Vol. 119, July 14, 2017, p. 023201. doi: 10.1103/PhysRevLett.119.023201.