1960 yılındaki icadından bu yana lazer hep ısı verici olarak kullanıldı; kimi zaman yararlı bir araç olarak, kimi zaman da başka gökadalardan gelme kurgusal düşmanları savuşturacak bir yöntem olarak. Ancak bu yoğunlaştırılmış ışık demetlerinin soğutabilme becerisi yoktu. Washington Üniversitesi’nden araştırmacılar ilk kez olarak lazer ile sıvıları soğutacak bir yöntem geliştirmeyi başardı.
Proceedings of the National Academy of Sciences dergisinin 16 Kasım 2015 tarihli sayısında yayımlanan makale ile bilim camiasına duyurulan çalışmada, kızılötesi lazer kullanarak suyun yaklaşık 2ºC (yani 36ºF) kadar soğutulduğu belirtildi.
“Tipik olarak filmlerde, örneğin Yıldız Savaşları’nda lazerlerin birşeylere ısı verdiğini görmüşüzdür. Bizim çalışmamız ilk kez olarak günlük yaşam koşullarında su gibi sıvıların bir lazer ışını ile soğutulabileceğini gösterdi. Bunun yapılıp yapılamayacağı merak konusuydu, çünkü normalde suya ışık gönderirseniz sıcaklığı artar,” diyor malzeme mühendisi Peter Pauzauskie.
Yeni keşfin endüstride çok küçük alanların odaklanmış ışık kullanılarak, noktasal soğutulması amacıyla kullanılması mümkün. Mikroişlemciler, örneğin, bir gün bilgisayar çiplerindeki aşırı ısınmanın önüne geçmek için belirli bileşenleri lazer ışını ile soğutarak, daha verimli bilgi işleyebilir.
Ayrıca bir hücrenin kendini onarırken veya bölünürken belli bir bölümünün soğutulması için de lazerler kullanılabilir. Böylece bu çok hızlı işleyen süreçler yavaşlatılarak, araştırmacıların işleyişi daha net görmelerine olanak tanıyabilir. Ya da bir ağdaki tek bir nöronun soğutularak, dolayısıyla herhangi bir zarar vermeden sessizleştirilerek, komşularının onu nasıl pas geçerek kendilerini yeniden düzenledikleri görülebilir.
“Hücrelerin nasıl bölündüğüne ve moleküller ile enzimlerin nasıl işlediğine ilişkin büyük bir ilgi var. Şimdiye kadar onları incelemek için soğutup özelliklerine bakma şansımız yoktu. Lazer soğutma kullanarak, yaşam sürerken ağır çekimde filmler hazırlamayı başarabiliriz. En büyük avantajı da hücrenin tamamını soğutmak zorunda olmayışımız; çünkü öyle yapmak hücreyi öldürebilir veya davranışında değişikliğe yol açabilirdi,” diyor Pauzauskie.
Ekip, akıllarında olan biyolojik uygulamalarda lazer soğutma kullanımı için kızılötesi ışık seçmiş; çünkü görünür ışık hücrelerde hasar yaratacak bir güneş yanığına neden olabilir. Yaptıkları çalışmada lazerin, genetik ve moleküler araştırmalarda sıklıkla kullanılan tuzlu çözeltiyi ve hücre kültürü ortamını soğutabildiğini göstermiş bulunuyorlar.
Bunu başarabilmek için ticari lazerlerde sıkça rastlanan bir malzeme kullanmışlar; fakat lazer görüngüsünü tersinden işletmişler. Suda asılı bulunan tek bir mikroskobik kristali kızılötesi lazer ışığı ile aydınlatarak, benzersiz türde bir ışıma tetiklemişler: Soğurulan ışık miktarından birazcık daha fazla enerjiye sahip bir ışıma. Bu biraz daha yüksek enerjisi olan ışıma, hem kristalden hem de onu çevreleyen sudan ısıyı uzaklaştırmış. Aslında lazerle soğutma süreci ilk olarak 1995 senesinde Los Alamos Ulusal Laboratuvarı’nda boşluk koşullarında gösterilmişti, ama sıvılarda gösterilmesi 20 yıl aldı.
Tipik olarak lazer kristalleri üretmek, hem çok zaman alan hem de birkaç gram malzemenin bile binlerce dolara malolduğu pahalı bir süreçtir. Araştırma ekibinin ortaya koyduğu bir diğer yenilik de, işte bu lazer kristallerinin düşük maliyetli hidrotermal işlemler kullanılarak, lazerle soğutma için hızlı, ucuz ve ölçeklenebilir biçimde üretilmesi oldu. Araştırmacılar ayrıca tek bir nano-kristali suda asılı tutacak ve lazerle aydınlatacak lazer tuzaklı bir aygıt geliştirmiş bulunuyor. Bu aygıt suyun soğumakta olup olmadığını belirlemek için parçacığın gölgesini, araştımacıların hareketteki en küçük değişimi bile gözlemleyebilmesine izin verecek biçimde yansıtabiliyor.
Çevresindeki sıvı soğurken tuzaklanmış parçacık yavaşlıyor ve ekibin soğutucu etkiyi açık bir şekilde gözlemlemesini sağlıyor. Bilimciler kristali de soğurken mavimsi yeşilden kırmızımsı yeşile dönecek biçimde tasarlamışlar; tıpkı içinde renkli termometre varmış gibi.
“Projenin asıl zorluğu bu nano-kristallerin sıcaklığını, onları tuzaklamak için kullanılan ışığın aynısının bıraktığı izleri kullanarak belirleyebilecek bir yöntem geliştirip, cihaz inşa etmekti,” diyor makalenin başyazarı Dr. Paden Roder. Ekip soğutma etkisini şimdilik sadece tek bir nano-kristal ile gösterdi. Çünkü çok sayıda kristal kullanımı çok daha fazla lazer gücü gerektiriyor. Lazer soğutma sürecinin şu anda biraz fazla enerji harcadığını ve bir sonraki adımda verimini arttırmaya odaklanacaklarını belirtiyor Pauzauskie.
İleride bir gün bu soğutma teknolojisi çok yüksek güçlü lazerlerin üretimine bile kapı aralayabilir. Şu an itibariyle, belli bir gücün üzerindeki lazerler aşırı ısınarak erimeye eğilim gösteriyor çünkü.
Kaynak: Phys.org, “Research team refrigerates liquids with a laser for the first time”
< http://phys.org/news/2015-11-team-refrigerates-liquids-laser.html >