Işıklar, Kamera, Elektron: Elektronların Hareketini Ölçmek...

J.J Thompson 1897’de elektronu keşfettiğinden beri bilim insanları atomaltı parçacıkların hareketini farklı şekillderde açıklamayı denemişlerdir. Elektronlar ışık mikroskobuyla bile görülemeyecek kadar küçük ve hızlı oldukları için elektronların hareketini ölçmek geçtiğimiz yüzyılda çok zor bir işti. Ancak Okinawa Bilim ve Teknoloji Yüksek Lisans Üniversitesindeki Femtosaniye Spektroskopi Ünitesinde yürütülen ve aynı zamanda Nature Nanotechnology dergisinde yayınlanan çalışma bu işi çok daha kolaylaştırıyor. Takım lideri Prof. Keshav Dani şöyle diyor:

Sadece ışığın maddenin içinden geçişini ve yansımasını kullanarak nasıl hareket ettiklerini açıklamak değil, ayrıca, maddedeki elektronları ve bu elektronların hareketini görmek istedim.

Elektron hareketini incelerken önceki tekniklerin kısıtlayıcı faktörü, ya zamansal ya mekansal çözünürlük sağlaması ancak ikisini birlikte sağlayamamasıydı. Doktora sonrası araştırma görevlisi Dr. Michael Man ise ultraviyole ışık vurumları ve elektron mikroskop tekniklerini birleştirerek bir güneş hücresi içindeki elektronların hareketini görebilmeyi başardı.

Araştırma temel olarak şu prensibe dayanıyor: 

Bir maddenin üstüne ışık tutarsanız bu ışık enerjisini taşıyan fotonlar elektronlar tarafından emilebilir ve bu da elektronların düşük enerjili halden yüksek enerjili hale geçmesine sebep olur. Eğer bu materyalin üstüne tuttuğunuz ışık vurumları, saniyenin milyarda birinin milyonda biri kadar kısa süreli (femtosaniye) olursa maddenin üstünde çok hızlı bir değişim yaratır. Bu değişim hızlı olduğu gibi kısa sürelidir de. Dolayısıyla oldukça hızlı bir şekilde elektronlar eski haline döner. Bilim insanları bu elektronların nasıl enerji kaybedip eski hallerine geri döndüklerini incelemek istediklerinde bir sorunla karşılaşmaktadırlar çünkü bu olay oldukça hızlı bir şekilde gerçekleşmektedir, by sebeple pratikte elektronları incelemek mümkün olmamaktadır. 

Dr. Man buna çözüm olarak elektronların düşük enerjili hale geçişinin değil, maddenin yansıtıcı özelliğindeki değişimin izlenmesi gerektiğini söylüyor. Bunun için yapmaları gereken şey çok kısa ancak güçlü vurumları materyalin üstüne gönderip değişime sebep olduktan sonra daha zayıf vurumlar ile yansıtıcılığın önceki halden farkın incelenmesidir. Bu yöntemin şaşırtıcı olan kısmı direkt olarak elektronların değil sebep oldukları değişimin gözlenmesinde yatıyor, çünkü bu deneyin sonucuna bağlı olarak bir çıkarımda bulunuluyor ancak tam olarak ne olup bittiği hiç bir zaman görülmemiş oluyor.

Prof. Dani’nin ekibi yarıiletken bir malzeme kullanarak bu olayı dolaylı da olsa gözlemleme fırsatı buldular. Bu yöntem maddeye gönderilen ışık demetinin elektron kopartmasına ve bir elektron mikroskobu aracılığıyla bu elektronun nerden geldiğini tespit ederek bir görsel oluşturmaya dayanıyor. Bu işlem birden çok kez tekrarlandığında her tekrarla beraber maddenin içindeki elektronların dağılımı ortaya çıkmaya başlar. Bu ilk aşama boyunca uyarma vurumuyla ölçüm arasındaki süre sabit tutulur.

İlk görsel oluşturulduktan sonra bilim insanları uyarma vurumuyla ölçüm vurumu arasındaki gecikmeyi arttırıp başka bir görsel oluşturdular ve her bir görsel oluştuğunda bu süre tekrar arttırılarak her seferinde farklı gecikme süresiyle yapılmış görsellerden oluşan bir video elde ettiler. Bu videoda elektronların uyarıldıktan sonra eski hallerine geçişleri ve nasıl hareket ettikleri görülebilir.

Bu araştırma sayesinde bilim dünyası elektronların hareketine dair yeni bir bakış açısı kazanmış oldu ve bu gelişme aynı zamanda daha iyi ve verimli güneş hücreleri ve yarıiletken malzemeler üretilmesi için büyük bir ilerleme niteliği taşıyor. 

Teşekkür: Bu çeviri için Alper Karasuer'e teşekkür ederiz.

Görselin Açıklaması: Bu resimde Femtosaniye Spektroskopi Ünitesi’nin elektron hareketini görselleştirebilmesini sağlayan zaman çözümlü fotoemisyon elektron mikroskobu düzeneği görülüyor. 800 nanometrelik vurumlar elektronları uyarırken daha zayıf olan 266 nanometrelik ölçüm vurumu farklı elektron hareketlerinin ölçümünü sağlıyor.