Tek Bir Atomun En Net Görüntüsü Elde Edildi.

Şu an ekranda kabaca metrenin trilyonda biri boyutunda bir atomu görüyorsunuz. İlk bakışta bulanık renkli bir nokta gibi görünebilir ama aslında bu tek bir atomun hareketinin doğrudan kaydı. Atom dediğimiz şey sandığımız gibi sabit duran minicik bir top değil. Sürekli titreşiyor. Aslında yerinde duramıyor. Resimdeki sarı bölgeler atomun en çok bulunduğu yeri, mavi kısımlar ise daha az bulunduğu yerleri gösteriyor. Yani bu görüntü bir atomun zaman içinde nasıl titreştiğini, akıl almaz küçük bir salınımla nasıl yer değiştirdiğini gözler önüne seriyor. İşin özü şu an ekranda atomun nasıl hareket ettiğini görüyoruz.

İyi de küçüklük seviyesini bile anlayamadığımız bir atomu görmek ne demek? Yani çok yüksek çözünürlüklü bir fotoğrafı alıp onu böyle büyütüyor muyuz? Yoksa dünyanın en büyük zoom yeteneğini mi kullanıyoruz? Aslına bakarsanız ikisi de değil. Tamında bir atomun konumunu ve enerjisini yüksek hassasiyette ölçebiliyorsanız aslında o zaman o atomu görmüş oluyorsunuz. Şöyle düşünün. Biz de baktığımızda aynı şeyi yapıyoruz. Bir şeye bakarken onun durumunu ve konumunu anlıyoruz. Gelin hep birlikte bu akıl almaz gelişmeye ve bu gelişmeyi yapabilme becerisi olanların nasıl bir güce sahip olacaklarına hep birlikte bakalım.

Bu makale Amerika'daki Maryland ve İlyonis üniversiteleri başta olmak üzere farklı kıtalardan 10 araştırmacının ortak çalışması. Yazarlar arasında University of İlyonis'ten Doktor Elif Ertekin de bulunuyor ve araştırmanın mühendislik boyutuna güçlü katkılar sunuyor. Ekip atomların titreşimlerini ilk kez atom atom çözünürlükte görüntülemeyi mümkün kılan elektron fotografi yöntemini kullanarak uzun zamandır yalnızca teoride var olan Muara Fazen kavramını deneysel olarak doğrulamayı başardı. Bu araştırmayı şöyle düşünün. Atomlar o kadar küçük ki doğalarını tam olarak anlayacak kadar güçlü ölçü teknolojimiz yok. İşte bu yeni araştırma bu cümlemizi değiştiriyor. Artık var denirtiriyor.

Peki atomun doğasını anlayınca ne olacak derseniz işte o zaman her koşulu en uyumlu malzemelerin, oda sıcaklığında çalışan süper iletkenlerin, çok daha güçlü kuantum bilgisayarların kapısını açacağız. İşte bilim insanları da tahminen bu motivasyondan yola çıkmışlar. Aslında onların amacı Muazon'ı görmek.

İyi de nedir bu muharefe yazın derseniz basitçe şöyle düşünün. Üst üste konmuş iki sineklik teli hayal edin. Tellerin o küçük delikleri tam çakışmadığında gözünüzün önünde dalgalı bir desen çıkar. Ya işte Muara Face'ın desenleri de tam olarak bu. Zaten çok da iyi telaffuz edemediğim adını da kumaş deseninden alıyor. Verdiğimiz örnekteki sineklik telleri üst üste gelen iki atom katmanını temsil ediyor. Teller tam çakışmadığında nasıl dalgalı bir desen görüyorsak atom katmanları da aynı şekilde hafif bir açı ile üst üste bindiğinde gözde görülmeyen ama atom ölçeğinde gerçek bir muharefizen ortaya çıkıyor ve atom salınımları öyle bir oluyor ki sanki kendiliğinden bir Meksika dalgası oluşturuyor. Tamam, Meksika dalgası oluştu da bu ne işe yarayacak derseniz işte bu desenler atomların nasıl titreştiğini, elektriğin ve ısının o malzemenin içinde nasıl yol aldığını belirliyor ve bununla da kalmıyor. Atom öbeklerinin nerede güçlendiğini ve nerede zayıfladığını doğrudan görmemizi veya modellememizi sağlıyor. Ancak bu deneye kadar bu durum sadece bir teoriydi. Bu teoriyi gerçeği taşıma becerisinin gücünü yorumlarda size bırakıp deneyin akıl almaz tasarımına geçelim.

Bilim insanları işe çok özel bir malzeme seçerek başlıyorlar. Tungksten. Peki neden bu malzeme? Çünkü Dungsten adeta otomik düz cam gibi pürüzsüz ve düzenli bir kafes yapısına sahip. Yani aynen bizim örneğimizdeki sinek teli gibi. İşte bu düzen atomların titreşimlerini bozmadan net bir şekilde görüntü yakalamayı kolaylaştırıyor. Yani hangi atom nerede sorusunun yanıtını vermek için bu malzeme çok uygun. Ayrıca tungsten ağır bir element olduğundan elektronlarla güçlü şekilde etkileşime giriyor. Bu sayede atomların hem yerini hem de titreşimlerini görünür kılmak çok daha kolay hale geliyor. Çünkü atomların tam konumunu elektronların atomlardan sekmesiyle bulacağız. Elektronlarla güçlü etkileşim kuran atomlarda daha net görüntü elde edilmesine olanak sağlıyor.

Araştırmacılar bu malzemeden her biri bir atom kalınlığında iki tabaka hazırlıyorlar. Burada kastedilen şey şu. Yüzey boyunca milyonlarca atom var. Fakat kalınlık yönünde sadece iki katmanlık atom dizisi mevcut. Yani atomik ölçekte her biri birer atom kalınlığında iki sinek telimiz var. Sonra bu iki tabaka üst üste konuluyor fakat tam hizalanmıyor. Tabakalar paralel kalıyor ama biri diğerine göre çok daha küçük bir açıyla döndürülüyor. Bunun amacı atomların üst üste binme biçiminde fark yaratmak, bir desen yaratmak. Böylece tabakalar arasında yeni bir periyodik desen oluşuyor. Yani tekrar eden bir dalgalı yapı. Bu desen atomların topluca nasıl davranacağını belirleyen yeni bir üst yapı yaratıyor. İki tabaka arasındaki açılar 1.7, 2.45 ve 6 gibi değerlerde ayarlanıyor. İşte bu minicik farklar tıpkı üst üste gelen sineklik tellerinde gördüğümüz gibi mfaz desenlerinin ortaya çıkmasına olanak sağlıyor.

Düzenek kurulduktan sonra şimdi sıra görüntüleme kısmında. Normal bir mikroskop burada işe yaramıyor. Çünkü ışığın dalga boyu atomlardan kat büyük. Bunun yerine deney vakum altında çalışan bir elektron mikroskobu içinde yapılıyor. Vakum şartı çok önemli. Çünkü tek bir tost tanesi ya da hava molekülü elektronların yolunu ve elde edilecek sonuçları baştan sona bozabilir ve vakum ortamındaki elektron tabancasından ilk elektronlar fırlatılıyor. Elektronlar az önce hazırladığımız ikili tabakaya ulaştığında tıpkı bilardo topları gibi saçılıyorlar, sekiyorlar. Kimisi çekirdeğe yakın geçip sertçe sapıyor. Kimisi hafifçe yön değiştiriyor. Kimisi neredeyse dümdüz ilerliyor ama hepsi eninde sonunda tabakanın arkasında yer alan elektron dedektörüne ulaşıyor. Yani kaç atım yapıldıysa tamamı elektron dedektöründe iz bırakıyor. Gönderilen elektronlar ne kadar saparsa sapsınlar bir şekilde orada kaydediliyorlar. Dedektör dev bir fotoğraf makinesi sensörü gibi davranıyor ve elektronların düşme noktalarını topluyor. Ortaya çıkan şey farklı saçılımların üst üste binmesiyle oluşan karmaşık bir girişim deseni. Bu desene iki katmanlı malzemenin elektronları nasıl etkilediğinin parmak izi gibi düşünebilirsiniz.

Arthur Clark'ın dediği gibi asıl sihir bu noktadan sonra başlıyor. Bilgisayardaki algoritmalar bu desenleri zamanı geriye sarar gibi çözüyor. Çok basitleştirirsek uygulanan hesaplama yöntemi şöyle. T anında çıkan bir elektron T + 1'de atomla etkileşiyor. T + 2'de dedektöre ulaşıyor. Sistem her bir atom için T +2'deki izi alıp geriye doğru hesaplayarak o elektronun hangi atomlar tarafından nasıl saptırıldığını ortaya çıkarıyor. Ama bu deneyin devrimsel kısmı şurada. Yine çok basitleştirdiğimizi ve biraz düzleminden çıkardığımızı belirterek dedektörde A elektronunun ve B elektronunun izlerini görüyorsunuz. Geriye sardığınızda her ikisinin de yolunun aynı anda ama biraz farklı konumlarda tek bir atomdan saçılmış olması gerektiğini görüyorsunuz. Yani atom öyle küçük zaman aralıklarında titreşiyor ki hem A elektronunu hem de B elektronunu sıçratabiliyor. İşte bu sayede ilk kez tek atomların titreşimleri doğrudan görünür hale geliyor.

Ekip anlattığımız bu yöntemle atom görüntülemede şimdiye kadar ulaşılan en yüksek çözünürlüklerden birini elde etti. O kadar ki aralarında sadece 14.7 7 pikometre yani metrenin yaklaşık trilyonda biri mesafe olan iki atomu bile birbirinden ayırt ettiler. Bu standart elektron mikroskoplarının limitini 3'e katlayan bir başarı ve atomların bulanık birer leke değil hareketli varlıklar olduğunu kanıtlamanın tek yolu. O zaman gelin tek ayırt edilen atom resimlerine beraberce bakalım.

Şu an ekranda gördüğünüz üst satırdaki şey tek bir atomun nasıl titreştiği. Yine ekranda gözüken 5.9 pikometre olarak ifade edilen şey ise atomun titreşim genişliğini gösteriyor. Yani atomun dalga boyu 5.9 metrenin trilyonda biri. Gerçekten akıl almaz. Gördüğünüz bu noktalar aslında tek atomun konumunu gösteriyor ama etraftaki bulanıklık atomların yerinde sabit durmadığını, inanılmaz kısa sürelerde sağa sola titreştiğini de bize göstermiş oluyor. Yani bu gösterilen şey bir atomun bir anda farklı konumlara kayıp geri dönmesinin iz düşümü. Fotoğraf gibi sabit bir an değil, atomun hareketlerinin zaman içindeki akışı.

Alt satır ise bilgisayarda düzeltilmiş verilerden oluşturulmuş görüntüler ve bu satır çok daha önemli bir sırrı saklıyor. AA ve AB bölgelerinde atomlar titretse bile oldukça dengeli yuvarlak bir hareket yapıyorlar. Ama diğer tarafa geçtiğimizde ki ona fay hattı deniyor elips şeklinde bir atom durumu görüyoruz. Bu ne demek mi? Bir atom yuvarlak titreşiyorsa her yönde eşit davranıyor demektir. Ama titreşim elips gibi uzuyorsa bir yönde daha kolay sallanıyor demektir. Bu da malzemenin o yönde daha zayıf, daha kırılgan veya ısı elektrik akışına karşı daha hassas olduğunu gösterir.

Peki bunu gördükte ne olacak derseniz işte burası bilimin geleceği açılan kapısı. Çünkü bu titreşimler bir malzemenin nasıl elektrik taşıyacağını, ısının içinde nasıl yol alacağını ve hatta süper iletken olup olamayacağını belirleyebilir. Yani artık atomların gizli dilini doğrudan okuyabiliyoruz. Şöyle düşünün. Bu atoma şu kadar enerji gelirse salınımı şu noktaya gelecek. O yüzden bu kuantum bilgisayar için gereken içerikte şu malzemeyi seçmeliyim ve şu kadar enerji kullanmalıyım diyebileceğimiz bir rehberimiz olacak. Bu da demek oluyor ki bir gün oda sıcaklığında çalışan süper iletkenler, hiç ısınmayan bilgisayar çiftleri ya da inanılmaz verimli quantum cihazları tasarlamak bu rehberde mümkün olabilir. Bugün atomların titreşimini görmek yarının teknolojisini yazmak demek.

Bilimseverler bugün sizlere çığır açan bir gelişmeyile geldik. Hiç merak etmeyin. Çok yakın zamanda bu gelişmenin sonuçlarını gündelik hayatımızda göreceğiz. Bu gibi yeni makalelerden hemen haberdar olmak, bilimin yaygınlaşmasına katkıda bulunmak için kanalımıza abone olabilir, videolarımızı beğenebilir, paylaşabilir, katıl butonuna basabilirsiniz. Bir sonraki videomuzda görüşmek üzere. Hoşça kalınız. [Müzik]