Foton

Fotonlar

Işığın parçacıklardan oluştuğu fikrini ilk kez Isaac Newton ortaya koydu. Sonraları ışığın dalgalardan oluştuğu düşüncesi yayıldı.Ancak,Max Planck bazı deneylerinde ışığın tanecikmiş gibi davrandığını fark etti. Işık sanki devamlı dalgalar değil de, enerji paketçikleri gibi geliyordu. Einstein ve Planck bu enerji paketlerini ışık kuantumu veya foton olarak adlandırdılar. Fotonlar sanki birer parçacıklarmış gibi davranıyordu. Relativite (izafiyet) teorisine göre, bir parçacığın ışık hızında gidebilmesi için kütlesinin sıfıra eşit olması gerekiyordu! Demek ki ışığın enerjisi sadece kinetik enerjiydi; kütlesinden kaynaklanan hiçbir enerjisi yoktu. Einstein o güne dek açıklanamamış olan fotoelektrik olayını bu kavramla açıkladıktan sonra, bilim adamlarının ağzında yeniden 'ışık nedir?' sorusu gündeme gelmişti. 
Eğer ışık dediğimiz olgu parçacıklardan oluşuyorsa, frekans veya dalgaboyunun ne anlamı var acaba? Aslında sorulması gereken en iyi soru: "ışık gerçekten nedir?"
Cevap: 'Hem dalga, hem parçacık 
Işığın bazı özellikleri sadece dalga olgusu (mantığı) ile açıklanırken (girişim veya kırınım gibi), bazı özellikleri ise sadece foton konsepti ile açıklanabiliyor (Fotoelektrik olay veya atomların enerji soğurması ve salması gibi).

Tarihçe

19. yüzyılda en çok tartışılan konulardan biri, ışığın parçacık mı yoksa dalga mı olduğu sorusuydu. James Clerk Maxwell'in elektromanyetik kuramı ve Hertz'in deneylerinden sonra ışığın dalga olduğu kabul edilmeye başlandı. Ancak bazı deneyler ışığın dalga olduğu gözlemiyle uyuşmuyordu. Karacisim ışıması hakkında Rayleigh ile Jeans'in kurduğu teori bunun zirveye çıktığı yerlerden biriydi. Rayleigh ve Jeans dalga yaklaşımını kullanarak, belli bir sıcaklığa sahip bir cismin etrafa hangi dalga boyunda ne kadar ışıma yapacağını hesaplamaya çalıştılar. Buldukları sonuç, uzun dalga boylarında deneylerle uyumluydu ama düşük dalga boylarında çok büyük bir sapma gösteriyordu. Teorileri, dalga boyu küçüldükçe, yapılan ışımanın sonsuza gideceğini söylüyordu (bu yüzden buna morötesi felaketi denir). Daha sonra Max Planck, ışık dalga olarak değil de enerji paketçikleri olarak düşünülürse bu problemin aşılabileceğini fark etti (bu, Max Planck'a 1918 Nobel Fizik Ödülü'nü kazandırmıştır). Daha sonra Arthur Compton tarafından açıklanan Compton saçılması olayı ve Albert Einstein'ın açıkladığı Fotoelektrik olay ışığın parçacık yapısını ortaya çıkardı. Fakat girişim ve kırınım deneyleri gibi başka deneyler de ancak ışığın dalga olduğu varsayıldığında açıklanabilmektedir. Şu anda kabul edilen ışığın ikili bir yapısı olduğu ve hem parçacık hem dalga özeliği gösterdiğidir (daha sonraki deneyler bütün maddelerin böyle olduğunu göstermiştir).

Fotonik kristaller

Yarı iletkenler olmasaydı modern dünya farklı olurdu gibi düşünüyoruz.Çünkü onlar olmadan ,bilgisayar çipleri,internet ya da transistörlü radyolar bile olmayacaktı.Yarı iletkenler,gündelik yaşantımızdaki yerlerini haketmiyor değiller.Çünkü onlar sayesinde ,elektrik akımları (dolayısıyla elektronların hareketi)üzerinde hızlı ve kesin kontrol sağlanıyor.Fakat kontrol edilen tek parçacık elektron olmayabilir.Fizikçiler aynı şekilde fotonlara da(ışığı oluşturan parçacıklar)aynı yöntemi uygulayabileceklerine inanıyorlar.Çünkü elektronlar için yarı iletkenler ne demekse ,fotonik kristal olarak adlandırılan malzemenin de fotonlar için aynı anlamı taşıdığına inanıyorlar.Şimdilik teorik olarak işe yarar görünen bu fikirin uygulanabilirliği araştırılıyor.
Gerçekte uygulamaya yönelik olarak sorunların çözümü oldukça zor.Silikon,bulunabilirlik açısından kolay ve doğal bir malzemedir ama fotonik kristal,belli aralıktaki frekansları geçirmeyecek biçimde üretilmesi gereken karmaşık bir yapıya sahip.Ancak kristalin yapısında bir kusur olduğu anda oldukça ilginç bir tablo ortaya çıkıyor.
‘Yasak’ frekanstaki ışık,kristalin kusurlu kesiminde sıkışıp kalıyor ve başka hiçbir yere hareket edemiyor.Bu şekilde hapsolmuş ışık,minyatür bir lazer ya da fotonik anahtar için bir başlangıç oluşturabilir.Kusurlu hattın oluşturduğu hat,ışığın bir cihazdan diğerine aktarılmasında net bir şekilde sonuç veren bir dalga kılavuzu işlevi görebilir.
Peki yarı iletkenler ve onların optik benzerleri nasıl çalışıyor? Saf yarı-iletken kristalde,elektronlarda olmayan belli enerji aralıkları bulunmaktadır.Bu yasak bölge,band aralığı olarak tanımlanıyor.Band aralığından daha düşük seviyedeki tüm enerji durumları dolu bulunmaktadır.Elektronların madde etrafında devinebilmelerinin koşulu,farklı enerji seviyelerine geçiş yapmaları olduğundan,böyle bir durumda devinimleri ve dolayısıyla malzemenin iletkenliği kısıtlanmış olur.Yarı iletkene tekil atomik katkılar eklendiğinde,band aralığında yeni,lokalize enerji durumları oluşmaktadır.Bu durumlarda,elektronların kesin olarak ne zaman ve nerede devinebileceklerini tanımlamak yoluyla silikonun elektronik özelliklerini kontrol altında tutmak mümkün olabilir.
Band aralığı elektronların sadece parçacık gibi değil,silikon atonları saçan dalgalar gibi davranmalarını nedeniyle oluşur.Atomlar,kristal örgünün bütün alanlarında düzenli bir yapıya sahiptir ve belli elektron enerjilerinde,elektron saçan dalgalar birbirlerini yok etmektedir.Bu da aynı enerji seviyesinde elektron bulunma olasılığını ortadan kaldırır.Farklı bir ifadeyle,elektronların sahip olabilecekleri enerjiler arasında farklılıklar vardır.
İlke olarak aynı yönde devinen ışığı engelleyecek hiçbir şey yoktur.Ancak bunun işe yaraması için,fotonik kristalin periyodik örgüsünün boyutlarının ışığın dalgaboyuyla orantılı olması gerekir. Modern optik iletişim sistemleri 1.3 ve 1.5 mikrometredeki kızılaltına yakın dalgaboylarında işlevselliğiyle ele alınır.Yani örgü bu dalga boylarında,hemen hemen 0.5 mikrometrelik bir alana gereksinim duymaktadır;bu da,sıradan kristallerin örgü alanından binlerce kez daha fazla olduğunu gösterir.Bu rakam,atom veya moleküllerde kıyaslandığında çok büyük olsa da,ortalama insan saçı çapının yaklaşık olarak yüzde biri kadardır.Hatta,çip yapımcıları tarafından geliştirilen litograf teknikleriyle bile bu kadar küçük ölçekte,3 boyutlu olarak bir yapı oluşturmak gerçekten zordur.Bu işi olduğundan daha kolay bir hale getirmek amacıyla,dalgaboyları 1 cm civarında olan mikrodalgalar için ilk fotonik kristaller oluşturmak için çalışmalar yapılıyor.Mikrodalgalarla çalışan fotonik bir kristalin de,milimetrelerle ölçülebilen bir örgüsü olmalı diye düşünüyoruz.
İlk olarak fotonik kristali New Jersey’deki telekomünikasyon araştırma şirketinde çalışmakta olan Eli Yablonovitch 1991 yılında oluşturmayı başarmış.Yablonovitch akla gelebilecek en basit yöntemle bunu yapmayı başarmıştı.Stycast-12 olarak bilinen ticari bir malzemeden alınan katı haldeki bir levhayla çalışmalarına başlayan Yablonovitch,blokun üst yüzeyinde 3 grup uzun ve eğimli delik açmak için sıradan bir matkap kullandı.Stycast-12’nin seçilmesinin sebebi olarak mikrodalgalara geçirgen olmasıydı.Yüzeyin altına 3 boyutlu olarak açılan delikler,periyodik ve karmaşık bir desen,yani fotonik kristal yapısı oluşturarak kesişir.Yalnızca delikleri açmak bile,maddeyi,mikrodalgaları yansıtabilecek harika bir ayna haline getirir.
Axel Scherer ile birlikte çalışan Yablonovitch,şu sıralar,oluşan yapının büyüklüğünü mikrometre düzeyine indirgemeye çalışmak için çalışmalar yapıyor.Küçük delikler açmak için katı maddelerde kullanılabilecek çeşitli litografi ve oyma teknikleri var.Ancak,hedeflenen çap küçüldükçe,onu kontrol etmekte bir o kadar zorlaşmaktadır;özellikle de birkaç mikrometreden biraz derin delikler açmak gerekiyorsa…Geçtiğimiz yaz Girit’te yapılan bilimsel toplantıda Yablonovitch,çalışma ekibinin,galyum arsenid levhasının üst katmanlarından birkaçına mikrometrelik delikler açmayı başardığını söylemişti.Şu anda da,bütün bir yapı oluşturabilmek için kullandıkları yöntem üzerinde iyileştirmeye yönelik çalışmalar yapıyorlar.