Yine Kimya öğretmenliğim tuttu.
Bu yazıda 2023 Nobel Kimya ödülünün konusu olan kuantum noktalarından bahsedeceğim.
Kuantum noktaları bir toplu iğne başının milyonda biri kadar küçük atom kümeleri.
Bu kümeler, büyüklüklerine göre farklı renklerde ışık yansıtıyorlar.
MADDE NASIL IŞIK SAÇAR?
Madde atomlardan oluşur.
Bir atomun yapısında elektron, proton ve nötron denen tanecikler vardır.
Proton ve nötronlar çekirdekte, elektronlar da çekirdeğin etrafında bulunur.
Elektronlar, bir apartmanda oturan insanlar gibi, “orbital” denen belli katlarda otururlar.
Bir apartmanda, birinci kattan üçüncü kata merdivenden çıkmak nasıl enerji gerekiyorsa, bir elektron da yeterli enerji bulursa üst katlara sıçrayabilir.
Sonra, geri düşerken aldığı enerjiyi ışık olarak salar.
Basit bir benzetme: Elinize bir kalem, kaşık gibi bir nesne alıp, iki, üç karış kadar kaldırın.
Örneğin, kalemi kaldırırken, farkında olmasanız da, bir enerji sarfettiniz.
Şimdi bırakın, düşsün.
Kalem düştüğü yere çarptığında bir ses çıkaracak.
Nesneyi kaldırırken harcadığınız enerji size ses olarak dönüyor.
Elektronlar da yüksekten düşünce bu şekilde ışık saçıyorlar.
Mutfakta iseniz bir deney daha yapalım.
Yanan gaz alevinin üzerine biraz tuz serpin.
Alevin sarıya döndüğünü göreceksiniz.
Sarı, tuzun yapısında bulunan sodyum atomunun elektronlarının, 3p katından 3s katına düşerken çıkardığı ışığın rengidir.
Atom apartmanında katlar, 1s, 2s, 2p, 3s, 3p gibi numaralar alır.
Elektronlar üst katlara çıkmak için gerekli enerjiyi, hızla hareket eden atomlarla çarpışmalardan veya üzerlerine sıkılan bir ışıktan alabilir.
Gaz alevinde, ampul telinde, floresan lambada, elektronları zıplatan enerji çarpışmalardan gelir.
Parlak bir metal yüzeyin veya kuantum noktalarının yansıttığı ışıkta enerji, onlara gelen ışıktan sağlanır.
KUANTUM NOKTALARI NEDİR?
uantum noktaları resimde görüldüğü gibi, birkaç bin atomdan oluşan, bir toplu iğne başının milyonda biri kadar küçük yapılardır.
Nobel ödülünü kazanan Alexei Ekimov, Louis Brus ve Moungi Bawendi, bu parçacıkları inceleyen ve üretim yöntemlerini geliştiren bilim adamları.
Bu maddeler birçok teknolojik uygulamada kullanılıyor, sağlık gibi alanlarda da çeşitli araştırmalara konu oluyor.
Kuantum noktaları çok küçük olduğu için yapılarındaki elektronların fazla dolaşma alanı yok.
Parçacığın içinde elektron hareketlerinin sınırlanması, kuantum noktasını oluşturan atom kümesini, tek bir atoma benzeyen bir yapıya dönüştürüyor.
O nedenle, kuantum noktaları diğer maddelere göre, ancak “kuantum hapsi” gibi Kuantum Teorisi kavramları ile açıklanabilen, farklı özellikler gösteriyorlar.
Kuantum hapsi, elektronlar kendi doğal dalga boylarına yakın bir alanla sınırlandırıldığında ortaya çıkar.
Kuantum noktaları, kadmiyum, selenyum, kurşun, kükürt gibi maddelerden yapılıyor.
Resimde görüldüğü gibi, bir cam içinde, veya bir çözelti içindeki, kuantum noktaları, üzerine gönderilen ışığı alıp, farklı renklerde yayıyorlar.
Yayılan ışığın rengi parçacığın boyuna göre değişiyor.
Küçük parçalar daha yüksek enerjili mavi ışık yayarken büyük parçalar düşük enerjili kırmızı ışık yayıyor.
Apartmanda oturan elektronlar benzetmesine dönelim.
Bazı elektronlar apartmanın terasına çıkıp serbestçe gezinebilirler.
Bakır, demir gibi metallerde elektronlar terasa çok kolay çıkar.
Elektrik bu serbest gezen elektronlar yardımıyla iletilir.
Plastik, odun, deri gibi elektriği iletmeyen maddelerde, elektronların evlerini terk edip terasa çıkması, aşılamayacak kadar çok enerji gerekiyor.
Yarı iletkenlerde ise, daha az enerji gerekir, bir kaç elektron terasa kaçabilir.
Bu kavramı aşağıdaki resim özetliyor.
“Valence band”ını apartman katları, “conduction band”ını terasa benzetebiliriz.
“Insulator” yalıtkan, “semiconductor” yarı iletken demek.
Aradaki boşluklar terasa kaçmak için gerekli enerjiyi gösteriyor.
Dikkat ederseniz, metallerde arada hiç boşluk yok, hatta iki band iç içe geçmiş.
LED lambaların ışığı, yapısında bulunan yarı iletkenlerden geliyor.
Yarı iletkendeki terasa kaçan elektronlar, geri düşerken ışık çıkarıyor.
Kuantum noktaları da bir tür yarı iletken.
Kuantum noktalarında parçacığın çapı küçüldükçe, en üst katla terasın arası açılıyor, terasa kaçmak için daha fazla enerji gerekiyor (resim).
Dolayısı ile terasa kaçmış bir elektron geri düştüğünde yaydığı ışığın enerjisi de yüksek oluyor.
KUANTUM NOKTALARI NERELERDE KULLANILIYOR ?
Kuantum noktaları kullanım amaçlarına uygun, istenen şekillerde üretilebiliyor.
Kuantum noktaları haberleşme, transistörler, güneş panelleri, LED’ler, lazerler, kuantum hesaplama, hücre biyolojisi araştırmaları, mikroskopi ve tıbbi görüntüleme, televizyon, telefon ekranları, aydınlatma, elektronik “görme” gibi uygulamalarda önemli imkanlar sunuyor.
Aşağıdaki infografik resimlerle bu kullanım alanlarını gösteriyor.
SONUÇ
Kuantum noktalarının bulunuş hikayesi, bilimsel çalışmalarının doğası hakkında birçok dersler içeriyor.
Alexei Ekimov 1970’lerde, cama renk veren maddelerle çalışırken, camın içinde tesadüfen oluşan küçük parçacıkların farklı davrandıklarını fark ediyor.
Ekimov’un buluşundan yıllar sonra, ondan habersiz olan Louis Brus, 1983’te, bir çözelti içindeki küçük parçacıkların farklı davrandıklarını gözlemliyor.
Louis Brus’un laboratuvarında çalışan, Moungi Bawendi 1988’den 1993’e kadar yılmadan kuantum özellikleri gösteren küçük parçacıkların üretim tekniklerini geliştirmeye çalışıyor.
Sonunda başarılı oluyor.
İşin ilginç tarafı böyle küçük parçacıkların, artık ismini koyalım, nanopartiküllerin, kuantum özellikleri gösteriyor olabileceği daha 1937’de, fizikçi Herbert Fröhlich tarafından teorik olarak ileri sürülmüş.
Nobel Ödülünü kazanmak kolay değil, yıllar süren çalışmalar, bilim adamlarının işbirliği, moda deyimle, bir bilimsel ekosistem gerekiyor.
Eğitim sistemimiz, yurt dışına göçen parlak beyinlerimiz ortadayken böyle bir ekosistem nasıl kuracağız bilmiyorum.
KAYNAKLAR