Bilkent Üniversitesi'nden Holografi Alanında Büyük Atılım!

Star Wars hayranlarının en büyük hayallerinden birisi holografinin gerçek olmasıdır. Şey, tamam tamam, önce ışın kılıcı, sonra holografi... Millennial Falcon?! Her neyse, sonuç olarak Star Wars evreninden isteyeceğimiz ilk 5 şeyden birisi muhtemelen holografi olacaktır. Çünkü holografi sayesinde, fiziksel olarak bulunmadığımız yerlerde üç boyutlu olarak bulunabilir, iletişim teknolojileri ve trafik güvenliği gibi alanlarda sıra dışı atılımların önünü açabiliriz.

Ancak holografi teknolojimiz halen emekleme evresinde. Hatta embriyolojik evrede olduğu bile söylenebilir. Çünkü karmaşık görüntülerin holografik yansımalarının derinlik kontrolüne halen sahip değiliz. Yani bir elmanın holografik görüntüsünü elde edebilmek için, elmanın farklı noktalardaki özelliklerini üç boyutlu olarak modelleyebilmeli ve ışığa tam da doğru şekilde hükmederek, elmanın geri kalanıyla uyumlu bir şekilde yansıtma işlemi yapmamız gerekmektedir.

Mashable

Günümüzde uzmanlar kısıtlı da olsa üç boyutlu holografinin temellerini atmış vaziyetteler. Bu holografik görüntüler, sadece birkaç katman üretime izin veriyor. Yani bir elmayı en altından en üstüne binlerce katmana böldüğünüzü düşünün. Holografik olarak bunlardan sadece birkaçını üretebilmekteyiz. Üstelik üretilen görüntüler çok dar bir alanda görüntülenebiliyor veya aşırı düşük çözünürlükte oluyor. Yani hem elmayı görememekle kalmıyorsunuz, gördüğünüz elma da elmaya pek benzemiyor.

Holografi teknolojisini bir adım öteye götürmeye çalışan ekiplerden birisi, Bilkent Üniversitesi Fizik Bölümü'nden Dr. Onur Tokel ve Dr. Ömer İlday'ın ekibi. Araştırma ekibinde Ulusal Nanoteknoloji Araştırma Merkezi'nden Ghaith Makey, Parviz Elahi ve Serim İlday, Bilkent Üniversitesi Elektrik ve Elektronik Bölümü'nden Özgün Yavuz, Denizhan K. Kesim ve Ahmet Turnalı da var.

Nature Photonics

Tokel'in 2017 yılında Nature dergisinde yayımladığı makalesi, üç boyutlu holografiye giden yolu açan en önemli makalelerden biri olarak kayda geçti. Türkiye'de hiç duyulmamış olsa da, bu büyük bilimsel atılımı Phys.org, ve IEEE gibi büyük bilim dergileri duyurmuştu.

Lazerlere Hükmetmek...

Aslında araştırmaları holografiden ziyade, 3 boyutlu bir malzeme üretim teknolojisi ile ilgiliydi. Normalde bir malzeme lazerle şekillendirilirken, lazerin şiddetine bağlı olarak çok büyük ve kontrolsüz değişimler yaratılabilir. Bu, aşırı hassas üretim teknikleri için kabul edilemez bir hatadır. Dr. Tokel, birçok diğer bilim insanının görmezden geldiği bir konu olan malzeme ile lazer arasındaki etkileşimi inceleyerek, bu lazer-malzeme etkileşimini bir üretim tekniğine dönüştürmeyi başardı. "Çip içi" (İng: "in-chip") adını verdikleri bu yöntem, özellikle de kızılötesi fotonik araştırmalarının geleceği için büyük önem arz ediyor. Tokel şöyle diyor:

Bu yöntemle üretilen parçalara 'çip-içi' deme nedenimiz, çipin 'üzerindeki' parçalardan ayırt edebilmekti. Şu anda silikon fotoniği alanı, tamamen çip üzeri parçalara odaklanmış vaziyette ve bunda muhteşem başarılar da elde edildi. Ancak biz, yeni geliştirdiğimiz çip-içi malzemelerle bunu bir adım daha öteye götürebileceğimizi düşünüyoruz.

Tüm bunlar ne demek?

Günümüzde bilgisayar ve telefon gibi tüm cihazların çalışmasını mümkün kılan mikroçipler gibi nano ve mikro boyuttaki ürünleri üretirken kullandığımız yöntemler maskeleme adı verilen bir basamağa ihtiyaç duyar. Bu yöntemde, amaca bağlı olarak malzemenin bazı kısımları özel bir maske ile kaplanır. Açıkta kalan kısımları ise kimyasallarla, elektronlarla veya lazerle aşındırılır. Böylece nano ve mikro boyutta üretim yapmak mümkün olur. Ancak maske üretimi aşırı masraflı ve oldukça zaman alan bir iştir. Dr. Tokel bunu şöyle anlatıyor:

Günümüzdeki bütün 3 boyutlu üretim tekniğinin süre, çözünürlük ve karmaşıklık açısından iyi ve kötü tarafları vardır. Bizim geliştirmek istediğimiz yöntem, bu üçünün en uygun noktasını bulmaya çalışıyor. Yöntemimizin en kritik noktası, bu boyutta üretilen cisimlerin çoğunun çubuk veya iğne benzeri yapıtaşları olmasıydı. Bizim yöntemimiz, bu tarz yapıtaşlarını hassaslıkla üretebiliyor ve bunu yaparken her bir bloğun 1 mikrometrelik genişliğini korumayı başarıyor. Hatta daha da iyisi, çubuk yapılar birleştirilerek 2 boyutlu katmanlar yaratılabilir; hatta ve hatta üç boyutlu katmanlar bile üretilebilir. Tüm bunlar, lazeri çip üzerinde gezdirmek kadar basit bir adımla yapılabilir.

Malzemelere doğrudan doğruya, istediğimiz derinlik ve biçimde malzemeye şekil verebilecek olsaydık, hem maddi olarak, hem de zamandan büyük tasarruf edebilirdik. İşte araştırma ekibinin geliştirdiği yeni yöntem, üretim teknolojilerinde maskeyi aradan çıkarabilir! Makalenin yazarlarından Dr. Serim İlday şöyle anlatıyor:

Geliştirdiğimiz yöntemin hiçbir maske kullanmaksızın, doğrudan lazer ile şekillendirme yöntemi olduğunu ve bunun iyonla veya elektronlarla aşındırarak malzemeyi şekillendirmeye göre çok daha ucuz olduğunu vurgulamak gerekiyor.

Lazerle üretimde pozitif geri bildirim önemli bir detaydır. Pozitif geri bildirimde, bir değişim meydana geldiğinde, sisteme geri bildirim yapılarak bu ufak değişimin etkisi katlanarak ve hızlı bir şekilde arttırılır. Bu da, malzemenin kısa sürede kalıcı olarak değişmesine neden olur. Ancak bu geri bildirim döngüsündeki doğrusal olmayan ("non-lineer") süreçlere hükmetmeyi başarabilirseniz, dijital dünyayı çalıştırmamızı sağlayan silikon-temelli elektronik parçalarını daha önce başarılmamış bir hassaslık ve yenilik ile şekillendirmeyi başarabilirsiniz. Makalenin yazarlarından Dr. Ömer İlday, çalışmayı şöyle özetliyor:

Bunu başarmak için yaptığımız, aşırı ufak lazer atımlarını, aşırı yüksek frekanslarda uygulamak oldu. Böylece, tek ve devasa bir lazer atımında olana kıyasla çok daha verimli, hızlı ve çok daha az ısıl hatayla malzemeyi işlemeyi başardık.

Bu yöntemin teknolojik araştırmalara katkısı oldukça büyük. Dr. İlday şöyle anlatıyor:

Bununla yapabileceklerimiz sınırsız. Bu yöntemin yepyeni çip-içi ürünler üretmesi çok olası. Örneğin yakın ve orta menzilli kızılötesi uygulamaları için silisyum-fotonik parçalar üretilebilir. Benzer şekilde, elektronik çipleri soğutmak için, menderesli bir nehir gibi kıvrılarak giden mikroakışkan kanallar üretilebilir.

Tüm Bunların Holografiyle İlgisi Ne?

Dr. Tokel ve ekibi, 2017 yılındaki araştırmalarının sonuçlarından yola çıkarak, bu alandaki deneyimlerini geliştirmeye ve biraz daha farklı bir alana uygulamaya karar verdiler: Holografik görüntü teknolojisi.

Lazerlere hükmedebilmenin en büyük getirisi, yazının başında sözünü ettiğimiz üç boyutlu görüntüleri oluşturacak katmanları farklı mesafelerde üretebilmek ve koruyabilmektir. Dolayısıyla lazerlerin çalışma prensiplerini ve ışığın hareketlerini kontrol etmemizi sağlayan her adım, bizi holografi teknolojisine de bir adım daha yaklaştırıyor.

İşte Dr. Tokel, Dr. İlday ve arkadaşları, bu alandaki deneyimleri sayesinde holografi teknolojisine sadece birkaç adım değil, onlarca kat fazla katkı yapmayı başardı.

Nature Photonics

Yeni Çalışmayı Nature Photonics Kapaktan Duyurdu!

Dr. Tokel, şimdi araştırmalarını bir adım daha öteye götürmeyi başardı: Türkiye'de bir ilki başararak, Nature Photonics dergisinin 22 Mart 2019'daki kapağından duyurulan bir çalışmaya imza attı.

Nature Photonics

Araştırma, holografinin en temel sorunlarından birisini hedef alıyor: 3 boyutlu bir cismin bütün detaylarını, 2 boyutlu bir şekilde saklayabilmek ve bunu yaparken, komşu katmanların diğer katmanlar ile üst üste binmesine engel olmak.

Dr. Tokel, yaptığı yeni çalışmasında lazerlerde görülen Fresnel saçılımını lokal (yerel) olarak azaltmayı hedeflediler. Bu sayede üretilen her bir katmana hükmetmeyi sağlayacak rastgele dalga fazlarını, katmanlarda oluşturulan görüntüye herhangi bir zarar vermeden kontrol edebilmeyi başardılar. Üstelik bu yöntem, katmanlar arası çakışmanın önüne geçmeyi de başarıyor!

Dr. Ömer İlday şöyle söylüyor:

Holografik katmanlar arasındaki girişimin sebebi fiziksel parçalarla ilgili sorunlar değildir. Matematiktir! Çok boyutlu rastgele vektörler ortogonal, yani birbirlerine dik olmaya meyillidirler. Bu, matematikteki Merkez Limit Teoremi ile Büyük Sayılar Kanunu'ndan ileri gelmektedir. Biz bu özelliği kullanıp, üzerine hoş ama oldukça basit bir ön dalga mühendisliği numarası ekleyerek her bir görüntüye rastgele bir faz katmayı başardık. Böylece hiçbir ek optik malzeme kullanmadan katmanlar arası çakışmayı durdurmayı başardık.

Bu çalışma sayesinde, holografide sadece 8-10 katmandan, kaç katmana geçtik dersiniz? Dr. Tokel ve ekibi, tam 1000 katmanlı bir holografik görüntü oluşturmayı başardılar! Bu görüntüde hiçbir katman etkileşimi bulunmaksızın derinlik kontrolünü yapabildiler.

Nature Photonics

Nature Photonics

Sonuç

Holografiyle ilgili en büyük problem, üçüncü boyut problemi olmuştur. Halen çözülmesi gereken büyük problemler olsa da, Uzay Yolu'ndaki Holodeck veya Asimov'un Vakıf serisindeki Holovision tarzı bir teknolojiye bir adım daha yakın olduğumuzu bilmek heyecan vericidir. Araştırmacılar, yeni makalelerinde şöyle yazıyor:

Bizim yöntemimiz, gerçek zamanlı ve video kalitesinde dinamik holografiler üretmekte kullanılabilir. (...) Her ne kadar bu makalede daha ziyade 3 boyutlu görüntüleme uygulamalarına, özellikle de hacimsel gösterime odaklanmış olsak da, geliştirdiğimiz yöntem tıbbi görüntüleme, hava trafik kontrolü, modern elektro-optik cihazlar, mikroskop araştırmaları, lazer-malzeme etkileşimi çalışmaları gibi çok çeşitli alanlarda kullanılabilir.

Belki bugün yarın değil ama çok da uzak olmayan bir gelecekte, cep telefonlarımızın ve sinema ekranlarımızın 2 boyutlu doğasının değişeceğini öngörmek çok da zor değil. Teknoloji, hiper-realistik görüntüler üretebilmek yolunda azimle ilerlerken, dijital sohbet uygulamalarında birbirimizi her daim 2 boyutlu görmekle yetineceğimizi varsaymak absürt gözüküyor.

Er ya da geç, kıtalar arası mesafede bile üç boyutlu görüntülü konuşma yapabileceğiz.

Ve bunu başardığımızda, sayısız diğer bilim insanı ile birlikte, Dr. Onur Tokel, Dr. Ömer İlday ve araştırma ekiplerine borçlu olacağız.