Metamalzemeler ve Görünmezlik

Metamalzemeler ve Görünmezlik

“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 güneşten yayılan, evlerimizde işlerimizde hayatımızın her anında kullandığımız enerji olan 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 cisimlerin ya da çeşitli erke biçimleriyle uyarılan cisimlerin yaydığı, gözle görülen ışıma.” şeklinde tanımlanır. Şimdi ışığı ayrıntılı şekilde inceleyelim.  Gözümüzle gördüğümüz ışıklara görünür ışık deriz ki bu ışığın dalga boyu 380 nm.-760 nm. arasındadır. Yani insan gözü ışığın yalnızca çok az bir miktarını görebilir. Tarih boyunca ışığın dalga özelliği mi yoksa parçacık özelliği mi olduğu tartışma konusu olmuştur. Işık bazı olaylarda dalga özelliğini bazı olaylarda da parçacık özelliğini gösterir. Bu ikisini aynı anda gösterdiği bir olaya rastlanmamıştır lakin bu durum rastlanmayacağı anlamına gelmez. Fizik’te imkansız yoktur. Kim bilir belki bir gün laboratuvar ortamında gerçekleştirilen fiziksel bir olay da ışık hem dalga hem parçacık özelliğini 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’de görüldüğü gibi deney düzeneği bir perde, ışık kaynağı ve bir çift yarıktan oluşan duvardan 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 parlak 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.

Işığın Parçacık Teorisi:

Işığın bazı olaylarda dalga bazı olaylarda ise parçacık özelliği gösterdiğini söylemiştik. Işığın parçacık özelliğinin en iyi görüldüğü deney hepimizin 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.

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? Doğada ki hiçbir madde için bu durum geçerli değildir. Ancak laboratuvar ortamında üretilmiş özel bir malzeme bunu gerçekleştirebilir. Biz modern fizikte bu malzemelere metamalzemeler adını veririz.

Metamalzemeler, doğada bulunan malzemelerde bulunmayan elektronik elektromanyetik özelliklere sahip olacak şekilde yapay olarak laboratuvar ortamında üretilmiş malzemelerdir. Bu malzeme içinde ki elektromanyetik dalgalar alışılmışın dışıında bükülür. Bu alışılmışın dışında bükülme olarak adlandırdığımız durumu metamalzeme 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. Peki 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 bahsedilir.

Bu özellikler;

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 bir malzeme için kırılma açısı 90 derece olduğunda ışık tamamen yansır. Doğada bulunan hiçbir madde için kırılma açısı 0 derecenin altında değildir yani negatif değer alamaz. Peki bir malzeme üzerine düşürülen ışının kırılma açısı 0 derece altında olursa ne olur? Metamalzemeler için bahsettiğimiz; ‘ışığı istediğimiz şekilde kırma’ özelliği işte tam anlamıyla budur. Metamalzemelerin 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 bugün ki modern fizik ve modern bilim dünyasında yaşanması kolay yenilikler olarak görülüyor. Bilim kurgu filmlerinde yer alan görünmezlik artık insanoğlu için çok da zor olmasa gerek. Evren de sınır yoktur. Her şey mümkündür. Evren de her şey mümkün olduğu gibi Fizik’te de her şey mümkündür. Ünlü Fizikçi Albert Einstein’ın dediği gibi; “Bir fikir ilk başta saçma gelmiyorsa ondan umut yoktur.” İnsanoğlu içinde 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. 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 bahsettiğimiz 3 farklı durumdan biri gerçekleştirmesi gerekir. Bir cismin görülmemesi içinde ona çarpan herhangi bir şık ışını olmaması gerekecek. Bunu sağlayanda meta malzemelerin görülmeyen elektromanyetik dalgalarıdır.

Meta malzmeler tıpkı içinden geçilebilen saydam bir madde olarak düşünülebilir. Sonuç olarak meta malzemeler görünmezlik özelliğini alışılmışın dışında ki dalga özelliğinden ve homojen oluşundan almaktadır. Kim bilir belki zamanla meta malzemeden oluşmuş üst düzey görünmezlik özelliğine sahip elbiseler üretilir. Tekrar söylemekte fayda vardır ki evren ve fizik için hiçbir şey imkansız değildir. Yeter ki üstüne uğraşılsın…

Metamalzemeler ve Görünmezlik Yazan: Sultan KIŞ

KAYNAKÇA

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)