Meta Malzeme ve Görünmezlik

Görsel Telif: Cockrell School of Engineering

“Fizik için zor olan çok şey vardır fakat imkansız yoktur. Fizik için ‘bu asla olmaz’ diyemeyiz.”

-Doç. Dr. Başak KOŞAR KIRCA (Sinop Üniversitesi / Eğitim Fak. Fen Bilimleri Bölümü Anabilim Dalı Başkanı)

Dünyamızı aydınlatan Güneş’ten yayılan, evlerimizde işlerimizde hayatımızın her anında kullandığımız ışık neler başarabilir? Işık yalnızca akşam olduğunda evimizi aydınlatan bir enerji kadar basit bir şey olabilir mi?

Bunları açıklamadan önce ışığın Klasik Fizik’te ki tanımına bakalım: Işık, “yüksek derecede ısıtılan, akkor durumuna getirilen ya da çeşitli erke biçimleriyle uyarılan cisimlerin yaydığı, gözle görülen ışıma.” şeklinde tanımlanır. Gözümüzle gördüğümüz ışıklara görünür ışık deriz ki, bu ışığın dalga boyu 380 nm-760 nm arasında. Bu dalga boylarının öncesinde ve sonrasında ise, çok geniş ama gözlerimizin algılayamadığı farklı dalga boyları var. Yani insan gözü ışığın yalnızca çok az bir miktarını görebilir.

Modern bilim tarihi boyunca ışığın dalga mı yoksa parçacık mı olduğu tartışma konusu olmuştur. Çünkü ışık (foton) bazı olaylarda dalga özelliğini, bazı olaylarda ise, parçacık özelliğini gösterir. Bu ikisini aynı anda gösterdiği bir olaya rastlanmamıştır ancak, bu durum rastlanmayacağı anlamına gelmez. Kimbilir belki bir gün, laboratuvar ortamında gerçekleştirilen fiziksel bir olay da ışık hem dalga hem parçacık özelliğini aynı anda gösterir.

Işığın Dalga Özelliği: Işığın dalga özelliğinin anlaşıldığı Young’ın Çift Yarık Deneyini hepimiz biliriz. Bu deneyi biraz irdeleyelim ve  ışığın dalga özelliğini anlayalım.

Şekil 1: Young’ın Çift Yarık Deneyi

 

Üstteki şekilde görüldüğü gibi deney düzeneği bir perde, ışık kaynağı ve bir çift yarıktan oluşmuştur. Işık kaynağından (L) yayılan monokromatik ışık öncelikle tek bir yarıktan geçer ve daha sonra S1 ve S2 olarak gösterilmiş iki ayrı yarıktan geçer. Sonuçta perde üzerinde aydınlık ve karanlık şablonların oluşumu gözlenir.

Bu durum, S1 ve S2’nin birbiri ile faz halinde ışık kaynakları olarak düşünülmesi ile açıklanır. Dalgaların faz içinde olduğu noktalar birbirlerini güçlendirirken, faz dışında olduğu noktalar birbirlerinin iptal eder. Bu deneyde ışığın dalga özelliği gösterdiğini görmüş olduk.

Elektromanyetik spektrum. Gördüğünüz gibi, gözümüzün sınırları aslında çok dar.

 

Işığın Parçacık Teorisi: Işığın bazı olaylarda dalga bazı olaylarda ise parçacık özelliği gösterdiğini söylemiştik. Işığın parçacık özelliğinin en iyi görüldüğü deney, çoğumuzun bildiği Fotoelektrik Olaydır. Bazı deneyler ışığın dalga modeli ile açıklanabilmekteydi fakat, klasik fizik bazı olayları ışığın dalga özelliğiyle açıklayamamıştır. Şimdi bu olaylardan en çok bilinen fotoelektrik olayı inceleyelim.

Ünlü bilim insanı Hertz, yaptığı tekrarlı deneylerin sonucunda metalik özellik gösteren bir maddeye gönderilen bir ışığın bu metale çarptıktan sonra bu yüzeyden elektron kopardığını gözlemledi. Fakat kopan bu elektronların kinetik enerjilerinin ışık şiddetinden yani foton sayısından bağımsız olduğu görüldü. Bu durumun sonucunda, ışığın yalnızca dalga özelliği gösterdiği yanlış bir bulgu olarak kabul edildi. Çünkü ışık eğer bu olayda dalga özelliği gösterseydi, elektronların kinetik enerjisinin ışık şiddeti arttıkça artması gerekecekti. Bu olay fotonun yani ışığın yalnızca parçacık özelliği ile açıklanabilir.

Şekil 2: Işığın Parçacık Teorisi (Fotoelektrik Olay).

 

Peki ışık, üzerine düştüğü cisimler tarafından nasıl bir etki görür? Bir cisim üzerine bir ışık ışını düşürüldüğünde 3 farklı durum gözlenir. Cisim ya ışığı tamamen yansıtır, ya bir miktar soğurur ya da hiçbir değişiklik olmadan ışık yoluna devam eder. Doğada bulunan her madde, ışık için bu üç durumdan birini gösterir.

Peki bir madde üzerine ışık düşürüldüğünde bu üç farklı durumun üçünü de aynı anda gösterirse ne olur?

Doğadaki hiçbir madde için bu durum geçerli değildir. Ancak laboratuvar ortamında üretilmiş özel bir malzeme bunu gerçekleştirebilir. Biz modern fizikte bu malzemelere meta malzeme (metamaterial) adını veririz.

Bir meta malzeme modeli

 

Meta malzemeler, doğada görülen yapılarda bulunmayan elektronik elektromanyetik özelliklere sahip olacak şekilde yapay olarak laboratuvar ortamında üretilmiş malzemelerdir. Bu malzeme içindeki elektromanyetik dalgalar, alışılmışın dışında bükülür. Bu alışılmışın dışında bükülme olarak adlandırdığımız durumu meta malzeme içine yerleştirilen minik implantlar sayesinde gerçekleştiririz.

Bu implantlar bize ışını bükme ve istediğimiz şekilde yönlendirme imkanı sağlar. Bu da, ışığı istediğimiz şekilde kullanabileceğimiz anlamına gelir. Öyleyse, bu sayede ne gerçekleşir? Işık istediğimiz şekilde yönlenirse ne elde ederiz?

Yakın geçmişte dahi hayal olarak adlandırabileceğimiz ‘görünmezlik’ özelliğini kazanırız. Işığı istediğimiz şekilde kontrol etmek, ışığı istediğimiz şekilde kırmak anlamına gelir. Bu noktada konumuza bir ara verip. Işığın kırılması ne demek onu açıklayalım:

En kolay şekilde kırılmayı tanımlayacak olursak; Kırılma ışığın bir ortamdan diğer ortama geçerken doğrultusunu ve hızını değiştirmesi” olarak tanımlanır.  Kırılmanın 4 özelliğinden bahsedebiliriz:

1- Gelen ışın, normal ve kırılan ışın aynı düzlemdedir.
2- Az yoğun ortamdan çok yoğun ortama geçen ışık, normale yaklaşarak kırılır.
3- Çok yoğun ortamdan az yoğun ortama geçen ışık, normalden uzaklaşarak kırılır.
4- Normal üzerinden gelen ışın (dik gelen ışın), diğer ortama geçerken kırılmaya uğramaz (dik geçer).

Doğada bulunan normal (yansıtıcı) bir malzeme için kırılma açısı 90 derece olduğunda, çok az bir kısmı soğurulmasına karşın ışık tamamen yansır. Doğada bulunan hiçbir madde için kırılma açısı sıfır derecenin altında değildir yani negatif değer alamaz. Peki bir malzeme üzerine düşürülen ışının kırılma açısı sıfır derece altında olursa ne olur?

Meta malzemeler için bahsettiğimiz; ‘ışığı istediğimiz şekilde kırma’ özelliği işte tam anlamıyla budur. Meta malzemelerin kırılma açısı eksi değerlik alır. Malzemeye çarpan elektromanyetik dalga geliş açısı ile enerji akışı aynı yönde kalır. Yani dalga vektörü ve enerji akışı zıt yönlüdür. Meta malzemenin ters kırılma indisli olması bize görünmezliği kazandırır.

Bir hayalden öteye gidemeyecek teknolojik yenilikler, bugünkü modern fizik ve modern bilim dünyasında yaşanması kolay yenilikler olarak görülüyor. Bilim kurgu filmlerinde yer alan görünmezlik gelecekte insanoğlu için çok da zor olmasa gerek. Ünlü Fizikçi Albert Einstein’ın dediği gibi; “Bir fikir ilk başta saçma gelmiyorsa ondan umut yoktur.” İnsanoğlu için de ışınlanmak, görünmez olmak gibi fiziksel olaylar olağanüstü ve saçma gelir.

Şimdi gelin laboratuvar ortamında üretilmiş bir malzeme, bir ışık ışını ile nasıl görünmezlik elde edilir onu tartışalım:

Ayrıntılı şekilde açıklanacak olursa; meta malzemeden oluşmuş bir kıyafet  düşünelim. Bu kıyafet üzerine bir ışık düşsün ve bu ışık ışınının, kıyafet içinde ters bir şekilde kırılması sağlansın ve ışık ışını vücuda hiç çarpmadan dolaşıp tekrar kıyafetin içinden geçsin. İşte görünmezliği bu sayede elde ederiz. Yani kırılma açısının negatif değer alması ve ışığın üç farklı durumunun tek bir malzeme içinde gerçekleşmesiyle.

Gözümüz ile bir cismin görülebilmesi için o cismin içinden ışığın geçmesi ve her madde için yukarıda bahsettiğimiz 3 farklı durumdan biri gerçekleştirmesi gerekir. Bir cismin görülmemesi içinde ona çarpan ve sizin gözünüze yansıyan herhangi bir ışık ışını (foton) olmaması gerekecek. Bunu sağlayan da, meta malzemelerin görülmeyen elektromanyetik dalgalarıdır.

Meta malzemeler tıpkı içinden geçilebilen saydam bir madde olarak düşünülebilir. Sonuç olarak meta malzemeler görünmezlik özelliğini alışılmışın dışındaki dalga özelliğinden ve homojen oluşundan almaktadır. Kimbilir, belki gelecekte bir gün meta malzemeden oluşmuş üst düzey görünmezlik özelliğine sahip elbiseler üretilebilir.

Hazırlayan: Sultan KIŞ

Kaku, M. (2016). Olanaksızın Fiziği, Odtü Yayınları
Karaoğlu, B. (2016). Üniversiteler İçin Fizik, Ankara, Seçkin Yayıncılık
Bayram, M. (2017). Metamalzemeler ve Görünmezlik, http://www.muhendisbeyinler.net, (5 Ağustos 2017)
Özer, M.A. (2017), Işık Gerçekten Nedir?, http://www.fizikist.com (14 Haziran 2017)

Teşekkür: Desteğinden, başaracağıma olan inancından ve bana olan güveninden dolayı, üniversitemizdeki odasına her zaman beni kabul edip tüm sorularımı yanıtlayan beni asla ve asla yanıtsız bırakmayan sevgili hocam, Doç. Dr. Başak KOŞAR KIRCA hocam ile, başaracağıma her zaman inanan ve bana her konuda destek olan anneme sonsuz teşekkürler.

image_printPDF Kaydet & Yazdır

Yazar: Sezar

Kozmik Anafor'un anonim içerik botudur. Misafir yazarların yazılarını girer, duyuruları yapar, gerektiğinde çay kahve ikram eder. Getir götür işlerine bakan ofisboy diyelim en iyisi.

Keşfet!

Astrofotoğrafçılarımız: Koray KULOĞLU

Başarılı ve öncü astrofotoğrafçılarımızı tanıttığımız yazı dizimize, ülkemizde henüz emekleme aşamasını geçememiş olan bu alanda; “her …