Bir molekülden kuantum tünelleme yoluyla kaçan bir elektron, molekülün sol ya da sağ elini kullanmasına bağlı olarak farklı davranır mı?
Belirli bir asimetri türü ile karakterize edilen molekülleri tanımlamak için kimyacılar tarafından anatomiden “sol el” ve “sağ el” ifadelerini ödünç alındı. Kiralite kavramını keşfetmek için avuç içleriniz kendinize doğru bakacak şekilde kaldırın. Görüldüğü gibi ikisi birbirinin ayna görüntüsüdür ama onları üst üste bindirmeye çalışırsanız birbiriyle tamamen örtüşmeyeceklerdir. Kiral olarak adlandırılan bu tür nesneler, galaksilerden moleküllere kadar doğadaki her şeyde bulunabilir.
Gündelik yaşamda kiraliteyi sadece bir nesneyi elimize aldığımızda veya ayakkabılarımızı giydiğimizde değil, aynı zamanda yemek yerken veya nefes alırken de deneyimliyoruz: tat ve kokumuz kiral bir molekülün iki ayna görüntüsünü ayırt edebilir. Aslında vücudumuz kiraliteye karşı hassastır ki bir molekül bir ilaç iken aynadaki görüntüsü zehir olabilir. Bu nedenle kiralite, sentezlenen ilaçların yüzde 90’ının kiral bileşikler olduğu farmakolojide çok önemlidir.
Kiral moleküller, fizikteki temel olayların araştırılması için onları harika adaylar haline getiren belirli simetri özelliklerine sahiptir. Yakın zamanda, CNRS / Bordeaux Üniversitesi’nden Profesör Yann Mairesse ve Weizmann Enstitüsü Karmaşık Sistemler Fiziği Bölümü’nden Profesör Nirit Dudovich liderliğindeki araştırma ekipleri, en ilgi çekici kuantum fenomenlerinden biri olan tünelleme sürecine yeni bir ışık tutmak için kiraliteyi kullandı.
Tünelleme, kuantum parçacıklarının aşılması imkansız gibi görünen fiziksel engelleri geçtiği bir olgudur. Bu hareketin klasik mekanikte gerçekleşmesi imkansız olduğu için dinamiklerini sezgisel bir şekilde hayal etmek oldukça zordur. Araştırmacılar kiral moleküllerde bir tünel oluşturmak için onları yoğun bir lazer alanına maruz bıraktılar. Mairesse, “Elektronlar (molekülün içindeki) doğaları gereği çekirdeklerin etrafına bir enerji bariyeri ile bağlanır”, “Elektronları şişirilebilir bir balonun içinde hapsolmuş hava olarak hayal edebilirsiniz. Güçlü lazer alanları, balonda delik olmamasına rağmen balonun kalınlığını bir miktar havanın içinden geçmesine yetecek kadar azaltma yeteneğine sahiptir.” diyor.
Mairesse, Dudovich ve ekipleri tünellemenin henüz keşfedilmemiş bir yönünü incelemek üzere yola çıktılar: kiral bir molekülün kiral bir ışık alanıyla karşılaştığı an ve bu kısa karşılaşmanın elektron tünellemesini nasıl etkilediği. Dudovich, “Kiralite ve tünelleme arasındaki bağlantıyı keşfedeceğimiz için çok heyecanlıydık. Bu özel koşullar altında tünellemenin nasıl görüneceği hakkında daha fazla şey öğrenmek istiyorduk,” diyor.
Bir elektronun bir atom veya molekülden kaçması yalnızca birkaç yüz attosaniye (saniyenin 1×10⁻¹⁸idir) sürer. Mairesse ve Dudovich’in laboratuvarlarında incelenen süreçlerin birçoğu, bu tür küçük zaman çerçevelerini ölçüp değerlendiriyor. İki takım da şu soruyu soruyor: Bir molekülün kiralitesi bir elektronun kaçışını nasıl etkiler?
Mairesse, “Bariyeri kiral moleküllerin etrafında döndürmek için zaman ayarlamalı ve dönen bir lazer alanı kullandık”, “Balon metaforunu takip edecek olursak, eğer lazer alanı yatay olarak dönüyorsa, havanın lazer alanının yönünü izleyerek yatay düzlemde balondan çıkmasını beklersiniz. Bulduğumuz şey: balon kiral ise, lazerin dönüş yönüne bağlı olarak havanın balondan zemine veya tavana doğru çıktığıdır. Başka bir deyişle, elektronlar, bariyerin dönme yönünün hafızasıyla kiral tünelden çıkarlar. Bu, bir tirbuşonun etkisine çok benzer (nanometre ve attosaniye ölçeklerindeki bir tirbuşon etkisinden söz ediyoruz elbette).” diyor.
Böylece iki ekip, bir elektronun tünelleme geçirme olasılığının, elektron tünelleme aşamasının ve tünelleme olayının zamanlamasının molekülün kiralitesine bağlı olduğunu keşfetti. Bu heyecan verici sonuçlar, hafif madde etkileşiminde (light-matter interaction) meydana gelen en hızlı süreçleri araştırmak için kiral moleküllerin benzersiz simetri özelliklerini kullanacak ek çalışmalara zemin hazırlıyor.
Çevirmen: Melike Zeynep Koçer
Redaktör: Muammer Ceylan
Parçacık fiziği ile ilgili diğer yazılarıma buradan göz atabilirsiniz.