Bir Atomun Fotoğrafını Çekmek Gerçekten Mümkün mü?

Maddenin yapı taşları olan atomlar, sıradan bir mikroskopla görülemeyecek kadar küçük. Ancak bilim insanları yalnızca atomların yerlerini belirlemekle kalmıyor, tek bir atomun fotoğrafını çekmeyi de başarabiliyor. Hatta 2018 yılında Oxford Üniversitesi’nde çekilen bir fotoğrafta, iki metal elektrot arasında asılı duran tek bir atom, küçük ve parlak bir nokta olarak görüntülendi.

Üstelik bu fotoğraf özel bir elektron mikroskobuyla değil, standart bir dijital fotoğraf makinesiyle çekildi. Peki yaklaşık bir nanometrenin onda biri büyüklüğündeki atomlar nasıl görüntüleniyor ve fotoğraflarda gördüğümüz şey gerçekten atomun kendisi mi?

Atomların boyutları elemente ve atom yarıçapının nasıl tanımlandığına göre değişiyor. Ancak tipik bir atomun çapı yaklaşık 0,1 ila 0,3 nanometre mertebesinde bulunuyor. Bir nanometre, metrenin milyarda birine karşılık geliyor. Başka bir ifadeyle insan saçının kalınlığı, atomların boyutlarından yüz binlerce kat daha büyük.

Buradaki temel sorun yalnızca yeterince büyütme yapamamak değil. Görünür ışığın dalga boyu yaklaşık 400 ila 700 nanometre arasında değişiyor. Dolayısıyla bir atomun boyutları, fotoğraf makinelerinin ve sıradan optik mikroskopların kullandığı ışığın dalga boyundan binlerce kat daha küçük.

Optik sistemlerde kırınım sınırı (Diffraction Limit) adı verilen fiziksel bir kısıtlama bulunuyor. Işık bir mercekten veya açıklıktan geçtiğinde dalga yapısı nedeniyle kırınıma uğruyor. Bu durum, birbirine çok yakın iki noktanın ayrı ayrı görüntülenebilmesini sınırlıyor.

Geleneksel bir optik mikroskobun ayırma gücü, kullanılan ışığın dalga boyuna ve objektifin sayısal açıklığına bağlı. Görünür ışık kullanan gelişmiş mikroskoplarda yaklaşık 200 nanometre seviyesinde bir çözünürlük elde edilebiliyor. Bu değer, tek bir atomun boyutundan yüzlerce hatta binlerce kat daha büyük.

Bu nedenle bir atomu normal bir kamera veya optik mikroskopla büyüterek çekirdeğini ve çevresindeki elektron dağılımını doğrudan görüntülemek mümkün değil. Ancak atomun kendisinden yayılan ışığı tespit etmek farklı bir konu.

2018 yılında Oxford Üniversitesi’nde doktora araştırmacısı olan David Nadlinger, Single Atom in an Ion Trap adını verdiği fotoğrafla Birleşik Krallık’ın Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) tarafından düzenlenen bilim fotoğrafçılığı yarışmasının büyük ödülünü kazandı.

Fotoğraf aslında 7 Ağustos 2017 tarihinde çekilmişti. Görüntünün merkezinde bulunan küçük mavi-mor nokta, tek bir stronsiyum iyonuna (Sr⁺) ait. İyon, elektronlarından birini kaybetmiş ve pozitif elektrik yükü kazanmış bir atom. Deneyde kullanılan stronsiyum iyonu, iki metal elektrot arasında oluşturulan elektrik alanları sayesinde belirli bir bölgede tutuluyordu.

Elektrotların uçları arasında yaklaşık 2 milimetrelik mesafe bulunuyordu. Atom ise son derece yüksek vakum koşullarında, çevresindeki parçacıklarla çarpışması en aza indirilen bir ortamda tutuluyordu. Deneyde kullanılan lazer soğutma yöntemleri, iyonun hareketini büyük ölçüde azaltıyordu.

Atomun görüntülenmesi için yaklaşık 422 nanometre dalga boyunda mavi-mor lazer ışığı kullanıldı. Stronsiyum iyonu, uygun frekanstaki lazerden fotonları soğurup yeniden yayıyordu. Bu süreç yeterince hızlı tekrarlandığı için çevreye yayılan ışığın bir bölümü fotoğraf makinesinin sensörüne ulaşabiliyordu.

Nadlinger görüntüyü Canon EOS 5D Mark II dijital fotoğraf makinesiyle kaydetti. Çekimde 50 mm objektif, uzatma tüpleri ve 30 saniyelik pozlama kullanıldı. Kamera, vakum odasının penceresinden atomun bulunduğu bölgeye yöneltilmişti.

Fotoğrafın en dikkat çekici tarafı, atomun çevresindeki laboratuvar ekipmanlarının da görüntüde bulunması. Böylece tek bir atomdan yayılan ışık, normal boyutlardaki metal elektrotlarla aynı karede kaydedildi.

Oxford’da çekilen fotoğraf gerçek bir atomdan gelen ışığı gösteriyor. Ancak görüntüdeki parlak noktanın büyüklüğü, stronsiyum atomunun fiziksel çapını temsil etmiyor.

Atomun yaydığı fotonlar kamera objektifinden geçerken kırınıma uğruyor. Optik sistemin odaklama özellikleri ve diğer kusurları da noktanın görüntüde belirli bir alana yayılmasına neden oluyor. Bu nedenle gerçek boyutu nanometrenin altında olan bir atom, fotoğrafta çok daha büyük bir ışık noktası olarak görünüyor.

Benzer bir durum gece gökyüzündeki yıldızların fotoğraflarında da yaşanıyor. Çok uzaktaki bir yıldızın açısal boyutu kameranın çözünürlük sınırından küçük olabiliyor. Buna rağmen yıldızdan yeterince ışık geliyorsa fotoğrafta parlak bir nokta oluşuyor. Ancak bu noktanın görüntüdeki çapı, yıldızın gerçek fiziksel boyutunu doğrudan göstermiyor.

Atom fotoğrafında da aynı temel ayrım bulunuyor. Bir atomdan gelen ışığı tespit etmek, atomun iç yapısını optik olarak çözümlemekle aynı şey değil. Oxford’daki deneyde bilim insanları atomun çekirdeğini veya elektron bulutunun şeklini görüntülemedi. Tek bir stronsiyum iyonunun ışık yaydığını ve nerede bulunduğunu kaydetti.

Üstelik atomu fotoğraflamak, elektronların küçük gezegenler gibi çekirdeğin çevresinde döndüğü klasik atom çizimlerini doğrulamıyor. Kuantum mekaniğinde elektronlar, belirli enerji durumları ve olasılık dağılımları üzerinden tanımlanıyor. Bir atomun gerçek fiziksel yapısı, ders kitaplarında kullanılan basitleştirilmiş atom modellerinden oldukça farklı.

Bilim insanları atomları görüntülemek için yalnızca lazerlerden yararlanmıyor. Elektron mikroskopları ve taramalı prob mikroskopları, atomik ölçekte çok daha ayrıntılı incelemeler yapılmasını sağlıyor.

Elektron mikroskoplarında ışık yerine elektron demetleri kullanılıyor. Hızlandırılan elektronların dalga boyu, görünür ışığın dalga boyundan çok daha küçük olabiliyor. Böylece uygun elektron optikleri ve görüntüleme yöntemleriyle atomik ölçekte çözünürlük elde edilebiliyor.

Özellikle Taramalı Geçirimli Elektron Mikroskobu (STEM), uygun numunelerde atomların konumlarını ve kristal yapılardaki dizilimlerini görüntüleyebiliyor. Bazı koşullarda tek tek atomların oluşturduğu sinyaller ayırt edilebiliyor. Ancak bu görüntüler, sıradan fotoğraf makinesinin görünür ışıkla oluşturduğu fotoğraflarla aynı yöntemle elde edilmiyor.

Bir başka teknoloji olan Taramalı Tünelleme Mikroskobu (STM) ise yüzeye son derece yakın hareket ettirilen iletken bir uç kullanıyor. Uç ile numune arasında gerçekleşen kuantum tünelleme akımı ölçülerek yüzeyin atomik ölçekte haritası çıkarılıyor.

STM görüntüleri, atomların çevresindeki elektronik yapıyla ilişkili ölçümlere dayanıyor. Dolayısıyla ekranda görülen tepeler ve noktalar, atomların sıradan bir kamerayla çekilmiş dış görünüşleri değil. Yüzeydeki atomların konumları ve elektronik özellikleri hakkında bilgi taşıyan ölçüm görüntüleri.

Bu alandaki gelişmeler 2018’den çok daha eskiye dayanıyor. Erwin Müller ve çalışma arkadaşları, 1955 yılında alan iyon mikroskobuyla tek tek atomların görüntülerini elde etti. IBM araştırmacıları ise 1989 yılında taramalı tünelleme mikroskobu kullanarak 35 ksenon atomunu nikel yüzeyine yerleştirdi ve IBM harflerini oluşturdu. Çalışmanın sonuçları 1990 yılında yayımlandı.

Atomları görüntülemenin bir başka yöntemi, atomdan yayılan ışık yerine atomun soğurduğu ışığı ölçmek. Avustralya’daki Griffith Üniversitesi araştırmacıları, 2012 yılında tek bir atomun oluşturduğu gölgeyi fotoğraflamayı başardı.

Deneyde iterbiyum elementinin pozitif yüklü bir iyonu kullanıldı. İyon, elektrik alanı yardımıyla vakum ortamında tutuldu ve belirli frekanstaki lazer ışığıyla aydınlatıldı. Atom, üzerine gelen fotonların bir bölümünü soğurarak ışığın algılandığı bölgede küçük bir kararma oluşturdu.

Özel olarak tasarlanmış yüksek çözünürlüklü optik sistem, bu küçük ışık azalmasının kamera sensöründe tespit edilmesini sağladı. Böylece tek bir atomun oluşturduğu gölge kaydedildi.

Buradaki gölge de atomun gerçek fiziksel sınırlarının doğrudan fotoğrafı değildi. Görüntü, atomun ışıkla etkileşiminin optik sistemde oluşturduğu yoğunluk değişimini gösteriyordu. Buna rağmen deney, tek bir atomun ışığı ne ölçüde soğurduğunun görüntüleme yöntemiyle incelenebileceğini ortaya koydu.

Tek atom görüntüleme teknikleri, günümüzde kuantum bilgisayarlar ve hassas ölçüm sistemleri üzerinde yapılan araştırmalarda kullanılıyor. Özellikle iyon tuzaklarına dayalı kuantum bilgisayarlarda elektrik alanlarıyla tutulan iyonlar, kuantum bitleri yani kübitler olarak görev yapabiliyor.

Bu sistemlerde belirli lazer darbeleriyle iyonların kuantum durumları kontrol ediliyor. Ölçüm sırasında bazı kuantum durumları ışık yayarken bazıları çok daha az ışık yayıyor veya karanlık kalıyor. Dedektörler ve kameralar bu farklılıkları ölçerek kuantum bilgisayarın işlem sonuçlarının okunmasını sağlıyor.

Atomik çözünürlüklü mikroskoplar ise yarı iletkenlerin, yeni nesil malzemelerin ve moleküler yapıların incelenmesinde kullanılıyor. Atomların yüzeydeki konumlarını belirlemek, kristal kusurlarını incelemek ve tek atom düzeyinde gerçekleşen değişimleri takip etmek bu yöntemlerle mümkün.

Atomları tek tek görüntülemek ve kontrol etmek, atom saatlerinde ve kuantum algılayıcılarda da önemli. Bu cihazlar, atomların belirli enerji seviyeleri arasındaki geçişlerin son derece hassas biçimde ölçülmesine dayanıyor. Optik görüntüleme teknikleri de bazı atomik sistemlerin hazırlanmasında ve ölçülmesinde kullanılıyor.