Işığın salınımlarının zaman ölçeğinde etkileşimlerin anlık görüntülerini yakalayarak, madde ile nasıl etkileşime girdiğini araştırılıyor. Mina Bionta, diğer iki fizikçiyle birlikte yaşamasına rağmen her zaman fiziğe ilgi duymadı. Çocukken kendi yolunu çizmek için farklı bilimlerle deneyler yaptı, ancak liseden mezun olduğunda fizikçi olma konusundaki fikrini değiştirmişti. Çeşitli laboratuvarlarda birçok yaz stajını tamamladıktan sonra Bionta, fizik çalışmalarına üniversite düzeyinde devam etti. Profesörlere “beni işe alırlar mı?” diye sormak için soğuk e-posta göndermenin kendisine birçok fırsat sağladığını belirtiyor. Kaliforniya’daki SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı da bu fırsatlardan biriydi.
Dünyanın ilk x-ışını serbest elektron lazeri olan Linac Coherent Light Source (LCLS), 2009 yılında yeni faaliyete geçiyordu ve Bionta stajını, sistemi ultra hızlı zaman ölçeklerinde atom ve moleküllerin anlık görüntülerini almaya hazır hale getirmek için optik lazerlerle senkronize ederek geçirdi.
Bionta, SLAC’ın x-ışını lazerinin mümkün kıldığı ışık-madde etkileşimi araştırmalarından çok etkilendiği için metalik nanoyapılardan elektronların ultra hızlı lazer kaynaklı emisyonu konusunda doktora yaptı. O zamandan beri, ışığın çeşitli malzemelerle nasıl etkileşime girdiği hakkında daha fazla bilgi edinmek için bu hızlı emisyonlardan yararlanan spektroskopik araçlar yaratıyor. Bionta, Ağustos ayında Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nde doktora sonrası bursunu tamamladı ve Ekim ayında SLAC’a kadrolu bilim insanı olarak yeniden katılacak. Kendisi X-ışını ve görünür ışık darbelerinin oradaki maddelerle nasıl etkileşime girdiğini gözlemlemek için yeni teknikler oluşturmak istiyor. Bionta, lazerlere ve ultra hızlı optik araştırmalarına olan tutkusunu Physics Magazine ile tartıştı. Şimdi sizlere bu kısa görüşmenin özeti sunalım.
Lazer kullanmanın en sevdiğiniz yönü nedir?
Faz geçişleri, doğrusal olmayan davranışlar ve kimyasal reaksiyonlar da dahil olmak üzere çok çeşitli olayların bir lazerin bir malzemeyle temasından kaynaklanabilmesine hayranım. Işık ve madde arasındaki etkileşimler de son derece temiz, çünkü ışık sadece maddeye enerji sağlıyor ve bilim insanları ışığın tonu gibi birkaç temel parametreyi ayarlayarak sisteme ne kadar enerji gireceğini hassas bir şekilde kontrol edebiliyor.
Şu anda hangi lazer sorunuyla uğraşıyorsunuz?
Ekibimle birlikte, ultra hızlı lazer atımlarının lazer ileten bir malzemeyle temas etmeden önce ve sonra biçimini izleyebilen küçük bir aygıt üzerinde çalışıyorum. Bu teknik, bu darbelerin bir malzemeye zarar vermeden onunla nasıl etkileşime girdiğini, örneğin bir fotovoltaik filme nasıl enerji ilettiğini incelememizi sağlayacak.
Bu etkileşimleri ölçmek neden hayati önem taşıyor?
Bir malzemenin elektriksel ve atomik özelliklerinin anlaşılması buna bağlıdır. Işık ve madde arasındaki etkileşimleri ölçmek için iki yöntem vardır. Bir yöntem olarak, ışığın bir maddeyle etkileşime girdikten sonraki emilim spektrumu ölçülebilir.
Ancak bu stratejinin bir dezavantajı vardır: etkileşim, kimyasal reaksiyon gibi son derece hızlı dinamiklere sahip bir fenomenle sonuçlanırsa, çeşitli malzeme bileşenlerinden beklenen absorpsiyon spektrumundaki keskin tepeler bunun yerine tek, rahatsız edici bir tümsekte birleşebilir.
Alternatif yöntem, ışığın bir madde ile etkileşime girmeden önce ve sonra fazını ve genliğini doğrudan belirlemek için ışığın dalga biçimini zaman boyunca ölçmektir. Bu ölçümler zordur çünkü çok hassas bir zaman çözünürlüğüne sahip bir ölçüm yaklaşımı gerektirir. Ancak, bu doğruluğa inanılmaz derecede hızlı elektron patlamalarının emisyonuna neden olarak ulaşabiliriz.
Bunu nasıl yapıyorsunuz?
Nanometre boyutundaki antenleri içeren akıllı bir yöntemle. Bu nanoantenler, bir mikroişlemci büyüklüğündeki aygıtımızın yapı taşlarıdır. Gelen ışığın elektrik alanı, iyice düşünülmüş formları sayesinde antenler tarafından yükseltilecektir. Cihaz ilginç bir maddenin üzerine ya da yanına yerleştirilir. Cihaz, malzemeyi uyardıktan sonra ultra hızlı darbeli lazerin örnekle nasıl etkileşime girdiğine dair verileri okuyor.
Bir nanoantenin ucundaki alan, bir lazer atımı ona nüfuz ettiğinde o kadar yoğunlaşır ki, ucun bir elektron patlamasını boşaltmasına neden olur. Bir uca birkaç lazer darbesi gönderdiğinizde, sonuç kısa ama güçlü elektron patlamalarının hızlı bir şekilde art arda gelmesidir ve bunların her biri uca giren ışık hakkında veri içerir.
Patlamaların zaman çözünürlüğü testlerimiz için bir femtosaniyeden veya aydınlatıcı lazer darbesinin yarım döngüsünden daha azdır. Dolayısıyla, bu patlamaları takip ederek, ışık-madde etkileşimlerini hızlı zaman çözünürlüğü ile araştırabiliriz.
Patlamaları tam olarak nasıl takip ediyorsunuz?
Nanoantenler, gelen her lazer darbesine yanıt olarak bir elektron patlaması salar. Bu elektron patlamalarının her biri, anten dizisine dik olarak yerleştirilmiş bir nanotel tarafından toplanıyor. Lazerin elektrik alanı, nanotel tarafından da taşınan bir akımı yönlendirir. Nanotel ile elektron patlaması arasındaki etkileşimin bir sonucu olarak akımın yoğunluğu değişir ve bize ışık dalga formu hakkında zamana bağlı bilgi sağlar. Bu son değişiklikleri bir dış dedektör üzerinde çiziyoruz.
Bu bilgi bilim insanları için neden önemlidir?
Işığa bağlı süreçlerin nasıl çok hızlı gerçekleştiğini gözlemlemek için. Örneğin, bitki bilimciler yöntemimizi enerjinin güneş ışığından bitki hücrelerine nasıl aktarıldığını araştırmak için kullanabilirler. Ancak yöntem biyolojik örneklerle sınırlı değildir. Gaz algılama, ilaç keşfi, gıda güvenliği, fotovoltaik ve tıp için kullanılır. Bu araç, yüksek harmonik üretim, fotovoltaik sistemlerdeki eksiton dinamikleri ve belirli moleküllerin spektroskopik imzaları gibi doğrusal olmayan yoğun madde süreçlerini araştırmak için kullanılabilir.
Kaynak: physics.aps.org/