Optik lazer 1960’da icat edildiğiden bu yana dek 10 milyar dolarlık küresel bir teknoloji pazarı haline gedi. Bununla birlikte Art Ashkin’in Nobel ödülü kazanmasını sağlayan “lazer cımbız”ı geliştirmesinden, Gerard Mourou ve Donna Strickland’in darbeli lazer çalışmalarına dek bir dizi teknolojik gelişime öncü oldu.
Şimdi ise bir Rochester Teknoloji Enstitüsü araştırmacısı, Ashkin’in icat ettiği optik cımbız tekniğini kullanarak farklı bir lazer türü oluşturmak için Rochester’deki uzmanlarla bir araya geldi.
Lazer Cımbız
Optik cımbızlar, oldukça popüler bir konu olup, yüksek derecede odaklanmış bir lazer demeti ile parçacık ve onu saran ortam arasındaki bağıl kırılma indisini kullanarak piko newton boyutların itici ya da çekici kuvvetler oluşturmamızı sağlayan kullanışlı araçlardır. Böylelikle mikroskobik objeleri cımbız gibi tutup hareket ettirebilmemizi sağlarlar. Optik cımbızlar son yıllarda özellikle biyolojik sistemlerin araştırılmalarında özellikle başarılı olmuşlardır.
Yüksek odaklı lazer ışını sayesinde çok küçük kuvvetler uygulayarak mikro ölçekli dielektrik objeleri manipüle edebilirler. Ayrıca oldukça hassas aletlerdir. Mikro ölçekli objelerin için nanometreden daha küçük yer değiştirmeleri algılayabilirler. Bu nedenle oldukça zorlu olan tek molekülleri inceleme ve manipüle etme gibi bilimsel açıdan oldukça hassas süreçlerde tercih edilirler. DNA ve proteinler, ve onlarla etkileşime giren enzimler sıklıkla bu yöntem kullanılarak incelenir.
Bu yöntem ilk olarak 1970 yılında ünlü Bell Laboratuvarı’nda araştırma yürüten Arthur Ashkin tarafından kayıtlara geçirilmiştir. Şimdilerde optik cımbız (optial tweezer) ya da lazer cımbız (lazer tweezer) olarak adlandırılan yöntemi Ashkin, ilk olarak; sıkıca odaklanmış bir ışık demeti ile mikroskobik parçacıkları 3 boyutlu olarak sabit tutabilen bir tuzak olarak gözlemlemişti.
Sonrasında 1986 yılında Steven Chu optik cımbızı nötr atomları soğutmak ve hapsetmek için kullandı. Bu çalışma Chu’ya, Claude Cohen Tannoudji ve William D. Phillips ile birlikte 1997 yılında Nobel Fizik Ödülü’nü kazandırdı.
80’lerin sonunda yöntem biyolojik bilimlere uygulanma başlandı ve tütün mozaik virüsü ve Escherichia coli bakterisinin tuzaklanmasında kullanıldı.
90’lar boyunca ve sonrasında, Carlos Bustamante, James Spudich ve Steven Block gibi araştırmacılar, moleküler ölçekli biyolojik motorları karakterize etmek için optik tuzak kuvvet spektroskopisinin kullanılmasına öncülük etti. Bu moleküler motorlar biyolojide her yerde bulunur ve hücre içindeki hareket ve mekanikten sorumludur. Optik tuzaklar, bu biyofizikçilerin nano ölçekli motorların kuvvetlerini ve dinamiklerini tek molekül seviyesinde gözlemlemelerine izin verdi. Optik tuzak kuvvet-spektroskopisi o zamandan beri bu kuvvet üreten moleküllerin stokastik yapısının daha iyi anlaşılmasını sağlamıştır.
Daha sonrasında ve 2000’lere gelindiğinde optik cımbızlar bir dizi biyofizik ve mühendislik alanında artık çok yaygın olarak kullanılmaya başlandı. Halen yoğun olarak bir takım biyokimyasal üretimleri yapmak ve biyokimyasal süreçleri başlatıp, yönlendirmek için kullanılmaktalar.
Yeni Bir Lazer Doğuyor
Nature Photonics’in en yeni sayısında araştırmacılar, optik olarak havada asılı duran bir nanoparçacık kullanarak bir fonon lazeri gerçekleştiriyorlar.
Arada ekleyelim, fonon; bir ses dalgasıyla ilişkilendirebileceğimiz bir enerji kuantumlanması durumudur.
Araştırmacılar bu deneyi gerçekleştirirken optik cımbızlar sayesinde çevreden kaynaklanan fiziksel dalgalanmaları eleyip, nanoparçacığı tam anlamıyla dışarıda izole ederek oluşan kuantum etkilerin limitlerini test ediyorlar. Böylece çalışma, odaklanmış bir lazer demeti ile yerçekimine karşı havada asılı duran parçacığın mekanik titreşimlerini içeriyor.
RIT’den fizik profesörü ve teorik kuantum optik araştırmacısı Mishkat Bhattacharya, “Saçılan ışığı tespit ederek nanoparçacık pozisyonunu ölçmek ve bu bilgiyi cımbız ışınına geri beslemek lazer benzeri bir durum yaratmamıza olanak sağlıyor” dedi. . “Mekanik titreşimler yoğunlaşıyor ve tıpkı bir optik lazerden çıkan elektromanyetik dalgalar gibi mükemmel bir senkronizasyona giriyor.”
Lazerin özelliği işaretleyicisinden (pointer) çıkan elektromanyetik dalgaların senkronize olmasıdır. Böylece fotonlar (ışık kuantumları) güneşten veya bir ampülden çıkan ışık gibi her yöne yayılmazlar. Aksine tek bir yön boyunca yayıldıklarından uzun mesafelere gidebilirler. Standart bir optik lazerde, ışık çıkışının özellikleri, lazerin yapıldığı malzemenin fiziksel özellikleri tarafından belirlenir. İlginçtir ki, fonon lazerinde ışık ve maddenin rolleri ters dönmüşe benziyor. Malzeme içindeki parçacıkların hareketi, optik geribesleme ile kontrol ediliyor.
Bhattacharya, “Bu cihazın kullanımının ne olacağını görmekten çok heyecanlıyız. Özellikle de algılama ve bilgi işlemede optik lazerin çok fazla ve halen gelişen uygulamaları olduğunu göz önünde bulundurduğumuzda” dedi. Ayrıca, fonon lazerinin, aynı anda iki yerde bulunabilecek ünlü düşünce deneyi Schrödinger’in kedisinin mühendisliği de dahil olmak üzere, temel kuantum fiziğinin araştırılması konusunda eşsiz katkılarda bulunabileceğini düşündüklerini” söyledi.
