Atomlar, merkezdeki bir çekirdek ile ona bağlı şekilde çevresinde dolanan elektronlar olarak betimlenir. Atom çekirdeğinin bağlayıcı kuvvetini yenerek elektronları uzaklaştırmak, güçlü bir elektrik alan veya lazer yoluyla başarılabilir. Yarım yüzyıl önce, kuramcı Walter Henneberger, lazer kullanarak bir elektronu çekirdekten ayırmadan atomdan bağımsız kılmanın olanaklı olup olmadığını merak etti. Çok sayıda bilimci bunun olanaksız olduğunu düşünüyordu. Cenevre Üniversitesi (UNIGE) ve Max Born Enstitüsü bilimcilerinin bir süre önce gerçekleştirdiği çalışmada ise bunun gerçekleşebileceği ortaya kondu.

Araştırmacılar ilk kez olarak lazer atımının biçimini kontrol ederek, bir elektronun hem serbest hem de çekirdeğine bağlı kılınabileceğini gösterdi; bir yandan da atomun elektronik yapısını düzenleyebildiler. Dahası, bu sıra dışı durumların lazer ışığını yükseltmesini sağlayarak, çıkışsız (İng. no-go) bir alanı tanımlamış oldular. "Ölüm Vadisi" olarak adlandırılan bu alanda, fizikçiler elektron üzerindeki tüm güçlerini yitiriyor. Bu sonuçlar, maddenin iyonizasyonuna ilişkin alışıldık kavramları da sarstı. Sonuçlar Nature Physics dergisinde yayımlandı.

Henneberger'in hipotezi şunu öne sürüyordu: Eğer bir elektron lazerle tuzaklanırsa, çekirdeğinin önünde ileri-geri harekete zorlanır ve böylece hem lazerin hem de çekirdeğin elektrik alanlarına maruz kalır. Bu ikili durum, iki elektrik alana da maruz kalan elektronların hareketini kontrol etmeyi mümkün kılar ve fizikçilerin, ışıkla ayarlanabilen yeni bir elektronik yapıya sahip atomlar yaratmasını sağlayabilir.

Bir lazer ne kadar yoğunsa, atomu o kadar kolay iyonlaştırır; yani elektronları çekirdeklerinin çekici elektrik alanından o kadar kolay uzaklaştırıp serbest bırakır. "Ama atomun iyonlaşmasının hemen ardından, elektronlar atomu trenin istasyonu terk etmesi gibi terk etmiyor; lazerin elektrik alanını hâlâ hissediyorlar. Dolayısıyla biz, Henneberger'in hipotezinde ileri sürüldüğü şekilde, elektronlar serbest kaldıktan sonra onları hâlâ lazerle tuzaklamanın ve çekirdeğe yakın kalmaya zorlamanın mümkün olup olmadığını merak ettik," diyor UNIGE'den Jean-Pierre Wolf.

Bunu yapmanın tek yolu, tamamen özdeş olan salınımları elektron üzerine koymak amacıyla lazer atımı için doğru biçimi bulmaktı; böylece elektronun enerjisi ve durumu kararlı kalabilirdi. "Elektron, lazerin alanında doğal olarak salınım yapıyor, ama eğer lazerin yoğunluğu değişirse, bu salınımlar da değişiyor. Bu da elektronun enerji düzeyini ve dolayısıyla durumunu değiştirmesine, hatta atomu terk etmesine yol açıyor. Böyle sıra dışı durumları görmeyi bu kadar güçleştiren de bu," diyor MBI'dan Misha Ivanov.

Fizikçiler farklı lazer yoğunlukları deneyerek, atomdan serbest bırakılan elektronun durağan salınımlarının olmasını sağladı. Ekip, şaşırtıcı bir keşif yaptı. "Lazer ne kadar yoğunsa, elektronu serbest bırakmasının o kadar kolay olacağına işaret eden doğal beklentilerin aksine, yoğunluğun bir sınırının olduğunu keşfettik; orada artık atomu iyonlaştıramıyoruz," diyor Ivanov. O sınırın yani Ölüm Vadisi'nin ötesinde ise tekrar kontrol kazanılabiliyor.

Elektronu, ne serbest ne de bağlı denemeyecek ikili bir duruma getirerek, bilimciler bu salınımları istedikleri gibi yönlendirmeyi başardı. Bu da onların doğrudan atomun elektronik yapısı üzerinde çalışabilmelerini sağladı. Çeşitli ayarlamalardan sonra, fizikçiler elektronu çekirdeğinden serbestleştirip, ardından lazerin elektrik alanı ile tuzakladı; tıpkı Henneberger'in ileri sürdüğü gibi. "Santimetre kare başına 100 trilyon watt yoğunluk uygulayarak, Ölüm Vadisi sınırının ötesine geçebildik ve lazerin elektrik alanı içindeki düzenli salınımlar döngüsü içinde elektronu atomunun yakınında tuzakladık," diyor Wolf. Kıyaslamak gerekirse, güneşin dünya üzerindeki yoğunluğu yaklaşık olarak metre kare başına 100 watt'tır.

"Bu bize, lazer alanı giydirilmiş yeni atomlar, yeni elektron enerji düzeyleri yaratma seçeneği sunuyor. Eskiden bu ikili durumu yaratmanın olanaksız olduğunu sanıyorduk ama tersini kanıtladık. Dahası, bu duruma getirilen atomların ışığı yükseltebildiğini keşfettik. Bu, yoğun lazerlerin hava gibi gazlarda yayılımına ilişkin öngörülerde ve kuramlarda temel bir rol oynayacak," diyor Wolf.