Geleneksel yöntemlerle yeterli parlaklıkta burulmuş/bükülmüş ışık üretmek oldukça zordur. Ancak Michigan Üniversitesi’nden araştırmacılar, Edison’un ampul teknolojisine benzer bir teknolojiyi kullanarak parlak, burulmuş ışık üretebilmenin mümkün olduğunu gösterdiler. Peki bu nasıl çalışıyor ve neden bu kadar önemli? İşte detaylar…
Işığın Doğası: Kara Cisim Işıması
Her nesne, sahip olduğu ısı nedeniyle sürekli olarak bir foton spektrumu yayar. Bir nesnenin sıcaklığı, çevresindeki nesnelerle aynı olduğunda, yayıp absorbe ettiği foton miktarı da aynı olur. Bu kavram “kara cisim ışıması” olarak bilinir ve siyah nesnelerin ışığı absorbe etmesinin nedeni budur.
Ampulün tungsten teli ise çevresinden çok daha sıcaktır. Kara cisim ışımasını tanımlayan Planck yasası, bu telin yayacağı foton spektrumunu iyi bir yaklaşımla tahmin eder. Görünür bölgedeki fotonlar beyaz ışık gibi görünür ancak bir prizmadan geçirildiğinde içindeki farklı dalgaboylarındaki fotonların oluşturduğu bir renk gökkuşağı ortaya çıkar.
Bu ışıma, nesnelerin termal görüntülerde parlak görünmesinin de nedenidir. Hatta oda sıcaklığında bile nesneler sürekli olarak kara cisim fotonları yayıp alır ve bu sayede çok zayıf da olsa görünür hale gelirler.
Şeklin ve Bükümlülüğün Önemi
Pek çok fizik probleminde küresel bir şekil varsayılsa da nesnenin şekli, yayılan ışığın bir özelliğini, yani polarizasyonu etkiler. Şekil, foton dalga boylarının spektrumunu değiştirmez ama fotonların polarizasyonunu değiştirebilir.
Kara cisim kaynağından gelen fotonlar tipik olarak rastgele polarize edilmiş olur, yani dalgaları herhangi bir eksen boyunca salınır. Ancak yeni bir çalışma, eğer yayıcı mikro veya nano ölçekte bükülmüşse ve bu bükülme uzunluğu yayılan ışığın dalga boyuyla karşılaştırılabilir seviyedeyse, kara cisim ışımasının da bükülmüş hale geleceğini keşfetti. Işığın bükülme derecesi veya eliptik polarizasyonu iki faktöre bağlıydı: foton dalga boyu ile bükülme uzunluğu arasındaki ilişki ve malzemenin (nano karbon veya metal gibi) elektronik özellikleri.
Burulmuş Işığın Özellikleri ve Önemi
Burulmuş ışık, aynı zamanda “kiral” ışık olarak da bilinir ve kendine has bir özelliği vardır: Saat yönü ve saat yönünün tersi dönüşleri birbirlerinin ayna görüntüsüdür. Bu çalışma, Michigan ekibinin kiral kara cisim ışımasını nesne tanımlama için kullanmayı hedefleyen gelecekteki bir projesinin de temelini oluşturdu. Amacı, mantis günün farklı dönüş derecelerine ve yönlerine sahip ışık dalgalarını ayırt edebildiği gibi robotların ve sürücüsüz araçların da “görebilmesi”dir.
Çalışmanın yazarlarından ve Michigan Üniversitesi Kimya Bilimleri ve Mühendisliği Enstitüsü İrving Langmuir Profesörü Nicholas Kotov şöyle diyor: “Kiral nano yapıların kara cisim ışıması fiziğindeki bu gelişmeler, çalışmanın merkezinde yer alıyor. Bu tür yayıcılar her yerde etrafımızda var.”
“Örneğin bu bulgular, bir sürücüsüz aracın, benzer dalga boylarına sahip ama farklı helisitelere (burulma derecelerine) sahip ışık yaymaları nedeniyle bir geyiği bir insandan ayırt edebilmesi için önemli olabilir. Çünkü geyik kürkü, giysilerimizin kumaşından farklı bir kıvrımlılığa sahiptir.”
Parlaklık Avantajı ve Gelecek Çalışmalar
Bu burulmuş ışık üretme yönteminin en büyük avantajı, parlaklığının diğer tekniklere göre 100 kat daha fazla olmasıdır. Ancak üretilen ışık geniş bir dalga boyu ve burulma spektrumuna sahiptir. Bunu gidermek için ekip, burulmuş ışık yayıcı yapıları kullanan bir lazer geliştirme gibi yöntemler üzerinde çalışıyor.
Kotov ayrıca araştırmaları kızılötesi spektruma da genişletmeyi hedefliyor. Oda sıcaklığında kara cisim ışımasının tepe dalga boyu yaklaşık 10.000 nanometre veya 0,01 milimetredir.
“Bu gürültünün çok olduğu bir spektrum alanı, ama eliptik polarizasyon sayesinde kontrastı artırmak mümkün olabilir” diyor Kotov.
Sonuç olarak, bükülmüş/burulmuş ışık üretimi ve incelenmesi, gelecekte birçok alanda devrim niteliğinde gelişmelere kapı aralayabilecek bir keşiftir. Bu teknolojinin kullanım alanları arasında optik sensörler, kuantum bilişim, kriptografi, tıbbi görüntüleme ve biyolojik araştırmalar yer alıyor. Araştırmacılar, bu alanda yapılacak yeni çalışmaların heyecan verici sonuçlar doğuracağına inanıyorlar.
