Kiralite

Kiral terimi, kendisinin rotasyonla elde edilemeyen bir ayna görüntüsünü oluşturabilen veya bu ayna görüntüsüne sahip olan cisimleri, özellikle molekülleri tanımlamak için kullanılır. Kimyada bu moleküllere enantiyomer, veya enantiyomerizm veya kiralite özelliği gösterir denir. Kiral sözcüğü, kendisi de sağ ve sol arasında ayna görüntüsüne sahip olduğundan, insan elinden gelmektedir. Parmakların karşılıklı duruşlarından dolayı, 2 eli çevirerek tam olarak üst üste getirmek mümkün değildir. Sarmallar, kiral ortamlar, kiralite özellikleri, ve simetri kavramlarının tamamı sağ ve sol el sistemiyle(ellilik) ilgilidir.

Elektromagnetik dalgaranın ellilik sistemine göre yayılması bir dalga polarizasyonudur ve sarmallar kullanılarak ifade edilebilir. Bir elektromagnetik dalganın polarizasyonu, o dalganın yönelimini tanımlayan bir özelliktir. (Örneğin zamanla değişen vektör elektrik alanı temsil etmektedir. Betimleme için yandaki şekle bakınız.).

Şekilde görüldüğü gibi polarizasyon zamanın fonksiyonu şeklinde hareket eden bir elektrik alan vektörü şeklinde yorumlanabilir. Elektrik alan dalganın yayılma daoğrultusuna dik bir düzlemde gösterilmiştir.

Genel olarak polarizasyon eliptiktir. Polarizasyonun birbirine dik 2 ekseninin yönelimleri birbirine eşit olduğu durumda polarizasyona özel olarak çembersel polarizasyon denir. Bu ana eksenlerden biri sıfır ise polarizasyon lineerdir.

Matematiksel olarak eliptik polarizasyon farklı büyüklükte ve aralarındaki faz farkı π/2 olan aynı frekanslı 2 elektrik alan vektörünün süperpozisyonu şeklinde yazılabilir.

Bir elektromagnetik dalganın çembersel polarizasyonunda elektrik alan vektörünün ucunun bıraktığı iz bir helikstir. Elektrik alanın yayılma doğrultusuna dik bir yönde kesilen her düzlemdeki iz düşümü bir çember tanımlar. Çembersel polarizasyon farklı büyüklükte ve aralarındaki faz farkı pi/2 olan aynı frekanslı 2 elektrik alan vektörünün süperpozisyonu şeklinde yazılabilir.

Ellilik kiral malzemelerin temel özelliğidir. Ellilik homojen kiral materyallerin iç yapılarının bir sonucudur. Örneğin izotropik bir kiral materyal elli moleküllerin rastgele dispersiyonlarını içerir. Öte yandan makroskopik seviyede kiral materyallerin aktifliği net biçimde görülebilir. Örneğin kolesterik sıvı kristallerin molekülleri rastgele bir dağılım sergilemesine rağmen madde bütün olarak kiral özellik gösterir. Polarizatörler gibi değişik çeşitli kiral materyal örnekleri de mevcuttur.

Doğada gözlemlenebilen Casimir kuvvetlerinin hemen hemen tamamı çekici ve nano ve micro boyuttaki sistem parçalarının birbirine yapışmasını sağlayarak bu sistemleri işlemez hali getirici niteliktedir. Bu araştırmacıların uzun zamandır çözmeye çalıştıkları bir problemdi. U.S. Department of Energy's Ames Laboratory. de Casimir kuvvetlerini manipüle etme konusunda yapılan teorik buluşlardan sonra artık gelecekte nano boyuttaki makineler enerji sağlık ve endüstri gibi geniş bir kullanım alanına sahip olabilecek. Matematiksel simülasyonlarla yapılan temel sarsıcı araştırma, birbirlerine aşırı derecede yaklaştırıldıklarında, birbirlerine itici bir kuvvet uygulayabilecekleri olasılığını gözler önüne serdi. Bu Casimir kuvvetini kullanan itici kuvvet, bir gün nano boyuttaki makinelerin içinde meydana gelen sürtünmenin üstesinden gelebilir.

Ames Lab. ında bir fizikçi ve Iowa State University de bir professor olan Costas Soukoluis, nano boyuttaki sürtünme kuvvetleri çok küçük olmasına karşın, bu boyutta çalışması için tasarlanan aletlerin çalışmasını önemli ölçüde engeller, şeklinde açıklıyor. Ames Lab. asistanı Thomas Koschny de dahil olmak üzere Soukoluis ve takım arkadaşları Casimir efektini kullanmak için kiral meta malzemeleri kullanan ilk kişiler oldular. Onların çalışmaları aslında Casimir kuvvetlerini manipüle etmenin mümkün olduğunu gösterdi.

Bulgular Physical Rewiew Letters’ın 4 Eylül 2009 sayısında ‘’Kiral metamateryallerdeki itici Casimir kuvveti’’ başlığı altında yayınlandı. Bu çalışmanın önemini anlamak, kiral malzemelerin eşsiz yapısını ve Casimir kuvvetlerini anlamayı gerektiriyor. İsmini Hollandalı fizikçi Hendrik Casimir den alan Casimir kuvvetleri ilk olarak 1948 de keşfedildi. Casimir , quantum mekaniğini kullanarak enerjinin boşlukta dahi varolması gerektiğini öngördü ki bu da birbirine çok yaklaştırılan cisimler arasında doğabilecek kuvvetlere neden oluyor. En basit haliyle iki paralel levha için, Casimir bu levhalar arasındaki açıklık azaldıkça aralarındaki enerji yoğunluğunun da azalması gerektiğini öne sürdü ki bu aynı zamanda bu levhaları birbirlerinden ayırmak için bir iş yapılması gerektiği anlamına gelir. Bir başka deyişle bu levhaları birbirlerine doğru çeken çekici bir kuvvetin varlığından söz edilebilir. Doğada gözlemlenen Casimir kuvvetleri neredeyse her zaman çekici niteliğe sahip olduklarından nano boyuttaki makinelerin parçalarının birbirlerine yapışmasına yol açarak onların çalışmasını olanaksız hale getirir. Bu bilim adamlarının uzun süredir üzerinden gelmeye çalıştıkları bir problemdi. Bu yeni buluş aslında gösterdi ki kiral meta malzemeleri kullanarak itici bir casimir kuvveti üretebilmek aslında mümkün. Kiral malzemelerin ortak bir özelliği vardır: bu malzemelerin moleküler yapısı onların ters kopyalarıyla üst üste gelmesini engeller, tıpkı insan eli gibi. Bu malzemelere doğada sık rastlanılır. Şeker bunlara bir örnektir. Öte yandan doğal kiral malzemeler pratik bağlamda yeteri kadar güçlü bir itici Casimir kuvveti oluşturamazlar. Bu sebepten dolayı, araştrıma grupları dikkatini kiral meta materyaller üzerine yoğunlaştırmıştır. Bu şekilde adlandırılmalarının nedeni doğada bulunmamalarıdır. Yapay olmaları onlara eşsiz bir avantaj veriyor, diyor Kochny, ve ekliyor: Doğal malzemeleri kullandığınızda sadece doğanın size verdikleriyle yetinmek zorunda kalırsınız, yapay malzemeleri kullandığınızda ise tam olarak ihtiyaçlarınızı karşılayacak bir malzeme yaratabilirsiniz.’ Araştırmacıların üzerinde odaklandıkları kiral materyaller enerji dalgalarının doğasını değiştirebilecek eşsiz bir geometrik yapıya sahiptir. Şu anki çalışma, bu Metamateryalleri yarı iletken litografik teknikler kullanarak üretmenin getirdiği zorluklardan dolayı şu an matematiksel simülasyonlarla sürdürülüyor. Bu Metamateryallerin pratik anlamda sürtünme kuvvetini engelleyebilecek kadar güçlü casimir kuvveti üretip üretemeyeceği üzerine henüz daha çalışma yapılması gerekirken, casimir kuvvetinin pratik uygulamaları Los Alamos ve Sandia laboratuvarları gibi DOE tesislerinde yakın araştırma altına tutulmuş durumda.