Görünmezlik Pelerini

Bilim-kurgu filmleri ile daha çok aşina olduğumuz ayrıca bir fantastik öykü olan Harry Potter serisinde de gördüğümüz görünmezlik pelerini gün geçtikçe bilim insanlarının çalışma konusu hâline geldi. Belki filmlerde gördüğümüz hâliyle olmasa da günümüzde görünmezlik pelerini görevini gören uygulamalar var. Bilim insanları çok küçük ölçeklerde spektrumun mikrodalga bölgesindeki objeleri görünmez kılabiliyorlar artık. Öncelikle ışığın dalga boyuna göre elektromanyetik spektruma göz atalım. Çünkü görünmezlik pelerinin bizim gözümüzle gördüğümüz nesnelere uygulanmasında yaşanan zorluk bu spektrum ile daha iyi açıklanabilir.

Öncelikle dalgaboyunu ifade edelim, ışık, ses gibi işittiğimiz, gördüğümüz bu olaylar birer dalgadır tıpkı deniz dalgaları gibi. Işık bir elektromanyetik dalgadır ve elektrik ile manyetik alan bileşenleri vardır. Bu elektromanyetik dalga, dalga paketleri hâlinde hareket eder ve dalga boyu da bu dalga paketi içindeki iki dalganın tepesi arasındaki uzaklıktır. Bu iki dalga arasındaki tepe uzaklığı örneğin ışığın renginin de belirleyicisidir. Herbir rengin dalga boyu farklıdır. Örneğin kırmızı rengin dalgaboyu 647-710 nm aralığında iken mavi renk için bu aralık 424-491 nm aralığındadır. Bu arada 1 nm, metrenin milyarda biridir. Elektromanyetik dalgaların bu dalgaboylarına göre sıralanışı, adeta haritalandırılması şekil1’ de görülen elektromanyetik spektrum ile sağlanır. Bu spektruma baktığımızda ise insan gözünün görebildiği alanın 400 nm’den 710 nm’ye kadar bir aralığa sahip olduğunu görebiliriz. 10 üzeri -11 nm’den 1 metre ve üzerine kadar oldukça geniş bir aralıktan ne kadar küçük bir aralıktaki dalga boyuna sahip elektromanyetik dalgaları gördüğümüzü bu şekilde ifade ederek sizlerin dikkatinizi çekmek istedim.

Görünmezlik pelerini hususuna geri dönersek eğer; bilim insanları daha önce 2006 yılında, mikrodalgalar yani dalgaboyu aralığı 1 milimetre ile 1 metre aralığında olan elektromanyetik dalgalarla yapılan deneylerde bir bakır silindirin görünmezlik pelerini kullanarak bu dalgaboylarınca tespit edilmemesi sağlanmıştı. Ancak hâlâ bu obje gözle görülebiliyordu, çünkü yapılan görünmezlik pelerini sadece bu dalgaboyları arasında çalışabilecek düzeydeydi. Elbette ki 2006 yılından bu yana görünmezlik pelerini ile ilgili bilmsel çalışmalar devam etti. Hatta ülkemizde de Bilkent Üniversitesi Fizik ve Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü öğretim üyesi Prof. Dr. Ekmel Özbay ve çalışma arkadaşları Bilkent Üniversitesi Nanoteknoloji Araştırma Merkezi’nde (NANOTAM) yaptıkları çalışmalar ile görünmezlik pelerini üzerine bilimsel araştırmalarda önemli katkılar sağladılar. 2006 yılında yapılan çalışmadaki görünmezlik pelerini metamalzemelerden yapılmıştı ve Özbay hocamız da aynı şekilde metamalzemeler üzerine birçok yayını bulunmakta. 2009 yılında NANOTAM ile ilgili basında çıkan haberlerde NANOTAM’daki çalışmalar sonucunda metamalzemeler kullanılarak radyo dalgalarında ( dalgaboyu 1 metre ve üstü) bir metal silindiri metamalzemeden yapılan bir pelerin ile tespit edilmemesini yani o silindiri saklamayı başardıkları yer alıyordu. Günümüzde NANOTAM’da da benzeri çalışmalar sürmekte ama bir görünmezlik pelerini kullanarak insan gözünün görebildiği dalga boyu aralığında tam anlamıyla ilgili cisim saklanamıyordu ya da tespit edilmemesi sağlanamıyordu. [Türk araştırmacılarının yaptığı çalışma hakkında detaylı bilgiye buradan ulaşabilirsiniz. Ayrıca NanoTürkiye’deki şu yazıya da bu yazının ardından göz atmalısınız.]

Peki görünmezlik tam olarak nasıl bir anlama geliyor? Yani görünmezlik pelerinin işlevi nedir? İşte bu sorular için aslında Özbay hocamızın şu açıklaması özetçe yeterli,

“Görünmezlik sağlamak için yapılacak şey, saklanacak cismin elektromanyetik dalgaları saçmasını önlemek, dalgaların çarpmasını engellemek ya da çarpan dalgaların gelişigüzel saçılmasını önlemekle gerçekleşebilir. Herhangi bir cismin üzerine kaplanacak bu özel pelerin sayesinde cisimler görünmez kılınabiliniyor”

Bu bilgilerin ışığında daha henüz birkaç gün önce yurt dışındaki kaynaklarda haberi yapılan bir çalışmayı size aktarmak istiyorum.

15 Haziran 2011 tarihli duyurulan bir haberdeki yer alan çalışmaya göre bu başarıldı. İnsan gözünün görebildiği görülebilir spektrum aralığında California Üniversitesi’nden bilim insanları yaptıkları bu çalışma ile bir objeyi görünmezlik pelerini ile saklayabildiler. Quasi Konformal Haritalama ismini verdikleri bir teknikle yüksekliği 300 nm ve genişliği 6 mikrometre olan bir objeyi “halı pelerin” olarak ifade edilen görünmezlik pelerini ile gizlemeyi başardılar üstelikte insan gözünün görebildiği dalgaboyu aralığında.

Haberde yer alan bilgilere göre ışığın kırılma indeksi farklı olan malzemeler içindeki hızının değişiminden yararlanarak o objeyi insan gözünün görebildiği dalgaboyu aralığında gizlemeyi başarmışlar. Zaten bu kırılma indeksi farklı malzemeler de az önce belirttiğim metamalzemelerdir. Böyle malzemeler doğada bulunmamaktadır, sanırım bu şekilde ifade etsem yanlış olmaz. Çünkü hemen hemen herkesin bileceği Snell yasasına uymamaktadır bu malzemeler. Metamalzemelerde ışık ters kırılır, yani bu malzemeler için kırılma indeks negatiftir. Araştırmacılar bu metamalzeme için bir transparan nanogözenekli silikon oksit alttaş üzerine silikon nitrit dalgakılavuzunu yerleştirmişler ve böylelikle dalgakılavuzundan daha düşük kırılma indeksi geliştirmişler.

NanoLetters gibi önemli bir dergide yayınlanan bu çalışma hakkında kısaca değinmek gerekirse şekil2’de üç durum verilmektedir. a) durumunda gelen ışık bir pelerin olmaksızın çarpma noktasına çarpıp düzensiz bir şekilde yansıyor, b) durumuna bakıldığında ise göreceğiniz üzere pelerin kullanıldığı için sanki çarpma noktası yokmuş gibi düzgün bir şekilde yansımaktadır. Bunu daha iyi anlamak için c durumuna bakalım. Bu durumda şeklin sol tarafında gelen yansıyan ışınlar görülmekte. Sağ tarafta ise üç farklı dalga boyundaki ışınlara göre yansıma durumları görülmektedir. Alt alta baktığımızda ise, en üstteki flat durumu, düz bir yerden yansıyan ışığın durumudur. Alttaki ise bump denilen, bir çarpışma noktasından yani bir objeye çarpıp yansıma durumu görülmektedir. En sonda ise bu obje üzerine bir pelerin koyulduğunda olan durum gösterilmektedir. Açıkça görülüyor ki ilk durum ile üçüncü durum özellikle 480 nm (mavi ışık) ve 530 nm (yeşil ışık) dalga boylarında hemen hemen aynıdır, bu da bize görünmezlik pelerinin işe yaradığını gösterir çünkü objeye gelen ışın sanki orada obje yokmuş gibi yansımaktadır. Dolayısıyla bu çalışma görülebilir spektrumda pelerinin işe yaraması açısından sanıyorum ilk ve gerçekten önemli bir çalışma. Bugün laboratuvar ortamında belki de nanometre-mikrometre büyüklüklerindeki bir obje için bu gerçekleşiyorsa gelecekte makro objeler için görünmezlik pelerinin kullanılmasına dair umutlarımızı güçlendirmektedir. Bir gün Star Wars filmlerindeki gibi ya da Stargate evrenindeki gibi uzay gemilerimizi gizleme teknolojisine sahip olabiliriz. Ancak tüm bunları söylemek, konuşmak için çok erken ama hayal etmek için tam zamanı!

Gerçek hayatta görünmezlik pelerini ile ilgili bu çalışmaların ilklerinden olan Duke Üniversitesi Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Bölümü öğretim üyesi Prof. David R. Smith şunları söylemiştir:

“Herkesin düşündüğü, Harry Potter’ın pelerini veya Star Trek’in görünmezlik aygıtı ile yaptığı, görünmezliği elde edebileceğimiz henüz kesin değil.Gerçekten bir cismi gözden kaybedebilmek için, pelerinin, ışığı oluşturan tüm dalgaboyları veya renklerle eşzamanlı etkileşimde bulunması gerekmektedir.”

Son olarak bu yeni çalışma görünmezlik pelerini sayesinde dönüşüm optiği (transformation optic) adı verilen görülebilir spektrumda optik dönüşüm yapıları kullanılarak önemli uygulamaların oluşmasına yol açan bir teknik doğurdu. Dönüşüm optiği kullanılarak ışığın manipüle edilmesiyle daha güçlü mikroskoplar ve bilgisayarlar geliştirilebilecek.

Gökhan Atmaca
Gazi Üniversitesi Yarıiletken Teknolojiler İleri Araştırma Laboratuvarı
Kuark Moleküler NanoBilim Araştırma

Kaynaklar:

1. http://tr.wikipedia.org/wiki/G%C3%B6r%C3%BCnmezlik_pelerini
2. http://www.physorg.com/news/2011-06-invisibility-carpet-cloak-visible.html