Optik lazer 1960 ’da icat edildiğiden bu yana dek 10 milyar dolarlık kuresel bir teknoloji pazarı haline gedi. Bununla birlikte Art Ashkin ’in Nobel odulu kazanmasını sağlayan “lazer cımbız”ı geliştirmesinden, Gerard Mourou ve Donna Strickland ’in darbeli lazer calışmalarına dek bir dizi teknolojik gelişime oncu oldu.
Şimdi ise bir Rochester Teknoloji Enstitusu araştırmacısı, Ashkin ’in icat ettiği optik cımbız tekniğini kullanarak farklı bir lazer turu oluşturmak icin Rochester ’deki uzmanlarla bir araya geldi.
Lazer Cımbız
Optik cımbızlar, oldukca populer bir konu olup, yuksek derecede odaklanmış bir lazer demeti ile parcacık ve onu saran ortam arasındaki bağıl kırılma indisini kullanarak piko newton boyutların itici ya da cekici kuvvetler oluşturmamızı sağlayan kullanışlı araclardır. Boylelikle mikroskobik objeleri cımbız gibi tutup hareket ettirebilmemizi sağlarlar. Optik cımbızlar son yıllarda ozellikle biyolojik sistemlerin araştırılmalarında ozellikle başarılı olmuşlardır.
Yuksek odaklı lazer ışını sayesinde cok kucuk kuvvetler uygulayarak mikro olcekli dielektrik objeleri manipule edebilirler. Ayrıca oldukca hassas aletlerdir. Mikro olcekli objelerin icin nanometreden daha kucuk yer değiştirmeleri algılayabilirler. Bu nedenle oldukca zorlu olan tek molekulleri inceleme ve manipule etme gibi bilimsel acıdan oldukca hassas sureclerde tercih edilirler. DNA ve proteinler, ve onlarla etkileşime giren enzimler sıklıkla bu yontem kullanılarak incelenir.
Bu yontem ilk olarak 1970 yılında unlu Bell Laboratuvarı ’nda araştırma yuruten Arthur Ashkin tarafından kayıtlara gecirilmiştir. Şimdilerde optik cımbız (optial tweezer) ya da lazer cımbız (lazer tweezer) olarak adlandırılan yontemi Ashkin, ilk olarak; sıkıca odaklanmış bir ışık demeti ile mikroskobik parcacıkları 3 boyutlu olarak sabit tutabilen bir tuzak olarak gozlemlemişti.
Sonrasında 1986 yılında Steven Chu optik cımbızı notr atomları soğutmak ve hapsetmek icin kullandı. Bu calışma Chu ’ya, Claude Cohen Tannoudji ve William D. Phillips ile birlikte 1997 yılında Nobel Fizik Odulu ’nu kazandırdı.
80 ’lerin sonunda yontem biyolojik bilimlere uygulanma başlandı ve tutun mozaik virusu ve Escherichia coli bakterisinin tuzaklanmasında kullanıldı.
90 ’lar boyunca ve sonrasında, Carlos Bustamante, James Spudich ve Steven Block gibi araştırmacılar, molekuler olcekli biyolojik motorları karakterize etmek icin optik tuzak kuvvet spektroskopisinin kullanılmasına onculuk etti. Bu molekuler motorlar biyolojide her yerde bulunur ve hucre icindeki hareket ve mekanikten sorumludur. Optik tuzaklar, bu biyofizikcilerin nano olcekli motorların kuvvetlerini ve dinamiklerini tek molekul seviyesinde gozlemlemelerine izin verdi. Optik tuzak kuvvet-spektroskopisi o zamandan beri bu kuvvet ureten molekullerin stokastik yapısının daha iyi anlaşılmasını sağlamıştır.
Daha sonrasında ve 2000 ’lere gelindiğinde optik cımbızlar bir dizi biyofizik ve muhendislik alanında artık cok yaygın olarak kullanılmaya başlandı. Halen yoğun olarak bir takım biyokimyasal uretimleri yapmak ve biyokimyasal surecleri başlatıp, yonlendirmek icin kullanılmaktalar.
Yeni Bir Lazer Doğuyor
Nature Photonics ’in en yeni sayısında araştırmacılar, optik olarak havada asılı duran bir nanoparcacık kullanarak bir fonon lazeri gercekleştiriyorlar.
Arada ekleyelim, fonon; bir ses dalgasıyla ilişkilendirebileceğimiz bir enerji kuantumlanması durumudur.
Araştırmacılar bu deneyi gercekleştirirken optik cımbızlar sayesinde cevreden kaynaklanan fiziksel dalgalanmaları eleyip, nanoparcacığı tam anlamıyla dışarıda izole ederek oluşan kuantum etkilerin limitlerini test ediyorlar. Boylece calışma, odaklanmış bir lazer demeti ile yercekimine karşı havada asılı duran parcacığın mekanik titreşimlerini iceriyor.
RIT ’den fizik profesoru ve teorik kuantum optik araştırmacısı Mishkat Bhattacharya, “Sacılan ışığı tespit ederek nanoparcacık pozisyonunu olcmek ve bu bilgiyi cımbız ışınına geri beslemek lazer benzeri bir durum yaratmamıza olanak sağlıyor” dedi. . “Mekanik titreşimler yoğunlaşıyor ve tıpkı bir optik lazerden cıkan elektromanyetik dalgalar gibi mukemmel bir senkronizasyona giriyor.”
Lazerin ozelliği işaretleyicisinden (pointer) cıkan elektromanyetik dalgaların senkronize olmasıdır. Boylece fotonlar (ışık kuantumları) guneşten veya bir ampulden cıkan ışık gibi her yone yayılmazlar. Aksine tek bir yon boyunca yayıldıklarından uzun mesafelere gidebilirler. Standart bir optik lazerde, ışık cıkışının ozellikleri, lazerin yapıldığı malzemenin fiziksel ozellikleri tarafından belirlenir. İlginctir ki, fonon lazerinde ışık ve maddenin rolleri ters donmuşe benziyor. Malzeme icindeki parcacıkların hareketi, optik geribesleme ile kontrol ediliyor.
Bhattacharya, “Bu cihazın kullanımının ne olacağını gormekten cok heyecanlıyız. Ozellikle de algılama ve bilgi işlemede optik lazerin cok fazla ve halen gelişen uygulamaları olduğunu goz onunde bulundurduğumuzda” dedi. Ayrıca, fonon lazerinin, aynı anda iki yerde bulunabilecek unlu duşunce deneyi Schrodinger ’in kedisinin muhendisliği de dahil olmak uzere, temel kuantum fiziğinin araştırılması konusunda eşsiz katkılarda bulunabileceğini duşunduklerini” soyledi.