Işığı durdurmak!
Saniyede yaklaşık 300 bin km olan ışık hızı, bize Güneş ışınlarının Dünya’ya 8 dakikada ulaştığını yani Güneş’in 8 ışık dakikası, Ay’ın 1.3 ışık saniyesi ve Mars’ın ise şu sıralar bizden yaklaşık 4.5 ışık dakikası mesafede olduğunu söyler.
Dr. Mustafa GÜNDOĞAN
Işık hızının hangi referans noktasından bakıldığından bağımsız olarak sabit olması ve doğa kanunlarının koyduğu bir evrensel hız sınırı gibi davranması Einstein’dan, bilime meraklı ortaokul öğrencilerine kadar milyonlarca kişinin aklını kurcalamış, birçok kişinin fizik alanına bir meslek olarak girmesine sebep olmuştur. Saniyede yaklaşık 300 bin km olan bu hız bize Güneş ışınlarının Dünya’ya 8 dakikada ulaştığını yani Güneş’in 8 ışık dakikası, Ay’ın 1.3 ışık saniyesi ve Mars’ın ise şu sıralar bizden yaklaşık 4.5 ışık dakikası mesafede olduğunu söyler.
Burada dikkat etmemiz gereken nokta ise geçilemeyecek bir sınır dediğimiz 300 bin km/s değerinin aslında boşlukta geçerli olması. Yani ışık hızı aslında saydam malzemeler içinde boşlukta olduğundan daha yavaş hareket etmekte. Bunun en güzel örneklerinden birisi ise bir bardağa koyulan kalemin yarattığı kırılmışlık göz yanılgısıdır: Havada ve suda farklı hızlarla hareket eden ışık sudan havaya geçerken kırılıma uğrar. Örnek olarak sayılar vermek gerekirse ışık suda saniyede yaklaşık 225 bin km, cam içinde 200 bin km ve elmas içinde ise 124 bin km hızla hareket eder. Işık hızının boşlukta bu hızlara göre ne kadar daha büyük olduğu ise o malzemenin kırılma indisini verir. Örneğin, ışık, boşlukta cam içindekinden 1.5 kat daha hızlı yol alır, dolayısı ile camın kırılma indisi 1.5’tir. Bu hızlar ışığın durdurulmasından, onun da ötesinde günlük hayatta tecrübe ettiğimiz hızlardan hâlâ çok çok uzakta (yolcu uçaklarının seyir hızları saniyede 0.25 km, Uluslararası Uzay İstasyonu’nun yörünge hızı ise saniyede 7.5 km). Işığı durdurmak için bildiğimiz malzemeleri unutup, bambaşka şeyler düşünmemiz gerektiği yavaş yavaş belirginleşiyordur umarım.
Belki de, “e madem malzeme bilimciler kırılma indisi çok yüksek bir malzeme dizayn etsin, kimyacılar bunu sentezlesin” diye düşünüyorsunuz şu anda. Fakat o kadar kolay değil. Burada başka bir problem ise malzemenin kırılma indisi arttıkça ışığın o malzeme tarafından emiliminin de artması (teknik tarafını merak edenler için: madalyonun iki yüzü gibi olan bu iki fiziksel olay birbirine Kramers-Krönig ilintileri ile bağlıdır). Yani ışık aslında bir malzeme içinde ne kadar yavaş giderse malzeme tarafından o kadar çabuk emilip kaybolur, dolayısıyla alışık olduğumuz hızlara kadar yavaşlatmak istersek elimizde kullanacağımız hatta ölçeceğimiz ışık bile kalmayacak, hepsi malzeme tarafından emilecektir. Bunu bilen fizikçiler, lazerlerin ve atomik fizik alanındaki gelişmelerin de yardımı ile lazer ışığını bazı özel atomların emilme seviyelerine çok yakın bir enerjide gönderip yavaşlatma etkisi gördüler. Fakat bu deneylerde yine ışığın emilmesi ciddi bir problemdi zira yukarda bahsettiğimiz gibi emilme ve kırılma (yani yavaşlama) matematiksel olarak aynı şeydi. Tek çözüm bu bağı kıran, ışığın kırılmasına yani yavaşlamasına izin veren fakat aynı zamanda emilmesini de engelleyen sihirli bir çözüm bulmaktı.
Işık durdurma deneyleri
Bu çözüm ise kuantum mekaniği ile geldi. Işığın atomlar ile nasıl etkileştiğine kafa yoran bazı fizikçiler, frekansı (rengi, enerjisi) özel olarak ayarlanmış kuvvetli bir lazerin bazı atomlara gönderildiğinde o atomların başka bir renkte olan ve normalde emilmesi gereken farklı bir frekanstaki lazer ışığına geçirgen hale geldiğini buldular. Elektromanyetik Etkili Saydamlık (EES) adı verilen ve tamamen kuantum mekaniksel olan bu etki teoriden hemen sonra, 1991’de deneysel olarak gözlendi. Bu kuvvetli lazerin atomlardan oluşan malzemenin kırılma indisini değiştirdiğinin anlaşılması da uzun sürmedi. Bu da demekti ki, normalde emilmesi gerekip de emilmeyen bu ikinci lazer ışını kırınıma uğrayacak yani yavaşlayacaktı.
Bu prensibi kullanan ilk ışık yavaşlatma deneyi 1999’da gerçekleştirildi. Harvard Üniversitesi’nden Lene Hau ve EES’nin teorisi ve ilk deneysel gözlemlerine öncülük eden Steve Harris çok düşük sıcaklıklara (mutlak sıfırın sadece 0.00000005 °C üstü) soğutulmuş sodyum gazını kullanarak ışık hızını saniyede 17 metre’ye kadar düşürdüler. Bu ise evrendeki en hızlı “şeyi” bir bisikletli hızına yavaşlatmak demekti. Bu etkiyi teorik olarak daha detaylı inceleyen fizikçiler yeni ilginç bir şey farketti. Kuvvetli lazer ışığı atomlarla etkileşirken diğer ışık yavaşlıyor demiştik. Eğer ışık yavaşlamışken, kuvvetli ışık kapatılırsa bu yavaşlamış ışığın atomlar içinde bir nevi tuzaklanacağını ve kuvvetli lazer ışığı tekrar açıldığında ise bir şey olmamış gibi yoluna devam edeceğini buldular. Bu tip ışık durdurma deneyleri ise üç farklı araştırma grubu tarafından farklı sistemlerde gerçekleştirilip (ultrasoğuk atomlar, soğuk kristal ve sıcak gaz) 2001 yılında raporlandı.
Yaklaşık 20 yıl önce ilk adımları atılan ışık durdurma teknikleri geçen bu zaman içinde hem temel bilim hem de teknolojik açıdan atomik fizik ve optik alanlarında devrim yarattı desek yanlış olmaz. Normal koşullarda birbiri ile etkileşmeyen ışık huzmelerinin (iki farklı araba farından çıkan ışıklar havada çarpışmıyor, birbiri içinden geçip gidiyor) bu sayede atomları bir arabulucu gibi kullanıp etkileştiği bulundu; yakın zamanda günlük hayatımızda görür müyüz bilemiyorum fakat ışıkla çalışacak gelecek bilgisayar devreleri için ışık hafızası ya da kuantum bilgisayarlar ve haberleşme için kuantum hafıza cihazları olarak kullanılması muhtemel.
Daha teknik ve detaylı bilgi için (ve içlerindeki referanslar):
1. R. Walsworth, S. Yelin and M. Lukin, The Story Behind “Stopped Light”, Optics & Photonics News, May 2002
2. İ. Küçükkara ve A. Kiraz, Kuantum Optigi, Elektromanyetik Etkili Saydamlik ve Tek Foton Üretimi, TÜBİTAK Bilim ve Teknik Dergisi, Mayıs 2010
