Işığın Parçacık ve Dalga Davranışının İlk Fotoğrafı

Işık hem dalga hem de parçacık davranışı gösterir. Einstein'dan beri, bilim insanları doğrudan ışığın bu iki davranışını aynı anda gözlemleyebilmeyi deniyorlardı. Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) 'den bilimciler ilk kez bu ikili davranışı fotoğraflamayı başardılar. (kapak görseli)

Kuantum mekaniğine göre ışık eş zamanlı olarak parçacık ya da dalga davranışı gösterebilir. Ancak, bugüne kadar ışığın bu iki davranışını aynı anda yakalayabilen bir deney yapılmamıştı. En yaklaştığımız anda bile ya dalga olarak ya da parçacık olarak gözlemleyebilmiştik ve bunu da ancak farklı zamanlarda elde edebilmiştik. Oldukça farklı bir deneysel bakış açısıyla EPFL'den bilimciler; ışığı hem parçacık hem de dalga davranışını gösterdiği aynı anda fotoğraflayabildiler. Ve bu büyük buluş Nature Communications 'da yayınlandı.

Ultraviyole (UV) ışık metal bir levhaya çarptığında, elektron saçılımına sebep olur. Albert Einstein bu durumu; yalnızca bir dalga olarak düşünülen ışığın aynı zamanda bir parçacık demeti olduğununu ortaya koyan fotoelektrik etki (photoelectric effect) ifadesiyle açıkladı. Hatta bununla birlikte çeşitli deneylerle ışığın parçacık ve dalga davranışı başarılı bir şekilde gözlemlenebildi. Ancak bu iki davranış aynı anda gözlemlenememişti.

Klasik Etki Üzerine Yeni Bir Bakış Açısı

EPFL'den Fabrizio Carbone öncülüğündeki araştırma ekibi, zekice bir deney tasarladı ve uyguladılar: elektronları kullanarak ışığı görüntüleme. Araştırmacılar ilk defa ışığın hem dalga hem de parçacık demeti davranışını anlık bir görüntü içerisinde elde ettiler.

Deney düzeneği şu şekilde hazırlandı: bir lazer ışını atımı metalik çok ince bir nano-tele gönderildi. Laser nano-tel üzerindeki yüklü parçacıkları titreştirerek enerji aktarımı yaptı. Işık bu oldukça ince tel üzerinde tıpkı otobanda ilerleyen araçlar gibi iki yöne doğru ilerledi. Dalgalar zıt yönlere doğru (birbirlerine doğru geldiklerini düşünün) ilerlediğinde birbirleriyle bir noktada buluşurlar ve orada duruyor gibi gözüken yeni bir dalga meydana getirirler. İşte bu "duruyor gözüken dalga" nano-tel çevresinde yayılarak deneyin ışık kaynağı olur.

Ve işte deneyin zeki hamlesi de tam da burada başlıyor: Bilimciler nano-telin yakınına doğru bir elektron demeti gönderiyorlar ve bu elektronları "ışığın duran dalgasının" görüntüsünü almak için kullanıyorlar. Elektronlar nano-tel üzerinde hapsolmuş ışıkla etkileşim içerisine girdiğinde, hızlanıyor ya da yavaşlıyorlar. Ultra hızlı mikroskop kullanılarak hızda değişim meydana gelen yer görüntüleniyor. Bu yöntemle, ekip; ışığın dalga özelliğinin parmak izi olarak davranan "duran dalgayı" görselleştirebildiler.

Bu olay ışığın dalga özelliğini gösterirken, eş zamanlı olarak da aynı şekilde ışığın parçacık özelliğini de gösterdi. Elektronlar ışığın "duran dalgasına" yakın geçtikçe, ışığın parçacıklarına (fotonlara) "çarpıyorlar." Yukarıda da ifade edildiği gibi, bu durum elektronları hızlandırarak ya da yavaşlatarak hızını etkiliyor. Hızdaki bu değişim; elektronlar ve fotonlar arasında enerji "paketleri" (quanta) değişimi olarak görülüyor. Enerji paketlerindeki bu hadise nano-tel üzerindeki ışığın parçacık olarak davrandığını gösteriyor.

Fabrizio Carbone:

" Bu deney bize; ilk defa olarak, kuantum mekaniğini ve onun paradoksik doğasını doğrudan kaydedebileceğimizi gösterdi. Nano-metre düzeydeki kuantum olgusunu görüntüleyebilmek ve kontrol edebilmek kuantum hesaplarına dair yeni bir rotayı da ortaya çıkardı " diyor.

"Işığın Parçacık ve Dalga Teorisi" başlıklı içeriğimizi okumak için.

Kapak Görsel: Fabrizio Carbone/EPFL

Çalışma Referansı: L Piazza, T.T.A. Lummen, E Quiñonez, Y Murooka, B.W. Reed, B Barwick, F Carbone. Simultaneous observation of the quantization and the interference pattern of a plasmonic near-field. Nature Communications, 2015; 6: 6407 DOI:10.1038/ncomms7407

Kaynak: Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, http://www.epfl.ch/index.en.html