PLASMONIKLER

Elektromanyetik dalgaları küçük yapılar içine sıkıştıran teknoloji gelecekte süper hızlı bilgisayar yongaları ve çok hassas moleküler belirleyiciler vaat ediyor.
Işık bilgi taşımak için ideal bir ortam. Bugün Dünya’mızı ses, iletişim ve çok büyük veri iletimi sağlayan optik kablolar sarmış durumdadır. Bu devasa kapasite bazı araştırmacıları görünen ışığı ve diğer elektromanyetik dalgaları kanalize edebilen, onları yönlendirebilen foton esaslı cihazların günün birinde mikro işlemciler içinde bulunan elektronik devrelerin yerini alacağı kehanetini yapmalarına neden olmaktadır. Foton esaslı cihazların boyut ve performansları da maalesef ışınların kırılma indisleri ile sınırlı kalmaktadır. Buna neden de ışın demetlerinin dar bir boşluğa sıkıştırılmasıdır. Işını taşıyan kablonun çapı, ışık dalga boyunun en az yarısı kadar olması gerekir. Yonga bazlı optik sinyaller için bu kızıl ötesi ışın dalga boyuna yakın olup 1500 nm dir. Minimum kablo genişliği en küçük elektronik cihazlar için dahi oldukça geniştir.

Son zamanlarda bilim insanları optik sinyalleri nano boyutta cihazlara transfer için yeni bir teknoloji üzerinde çalışıyor. 1980 lerde araştırmacılar deneylerle kanıtladılar ki ışık dalgalarının doğru şartlarda bir metal ve dielektrik arasına yönlendirilmesi, ışık dalgaları ile metal yüzeyindeki hareketli elektronlar arasında etkileşime neden olmakta ( iletken bir metalde elektronlar, bireysel atomlara veya moleküllere kuvvetle bağlı değildir), diğer bir deyişle yüzeydeki elektronların titreşimi metal dışındaki elektromanyetik alana uyum sağlamaktadır. Sonuçta ise yüzey plasmonları- elektron dalga yoğunluğu oluşumudur. Tıpkı durgun bir suya taş atıldığında etrafa açılan dalgalar gibi.

Geçen on yılda araştırmacılar metal dielektrik girişiminin yaratıcı tasarımıyla, dış elektromanyetik alanla aynı frekansta, ancak çok daha kısa dalga boylu yüzey plasmonları üretebileceklerini gördüler. Bu olay plasmonların mikro işlemcide bir yerden diğer bir yere bilgi taşıyan nano boyutta tellerle yol almasına olanak tanıyordu. Bu yonga tasarımcıları için büyük bir buluştu. Daha küçük ve hızlı transistörlerin yapımına imkân verecekti. 2000 yılında California Teknoloji Enstitüsü bu teknolojiye “Plasmonics” adını verdi. Bu teknoloji sayesinde mikroskopların çözünürlüğü arttırılabilecek, LED ler geliştirilecek, biyolojik ve kimyasal algılayıcıların hassasiyeti arttırılacak, tıpta ise belli plasmonik maddelerle kanserli hücreler yok edilebilecek, hatta bazı araştırmacıların teorisine göre, bir cisim etrafındaki elektromanyetik alan özel plasmonik maddelerle değiştirilerek cisim görünmez hale getirilebilecek.

Dalga Boylarının Küçülmesi


Binlerce yıldır camcılar ve kimyacılar camın içine küçük metal parçaları katmakla plasmonik etkisiyle renkli cam eşyalar yapmaktadırlar. Bunun en güzel örneği MS 4 YY da Roma’lılardan kalma Lycurgus Kupasıdır. Normal ışık spektrumunda kupa mavimsi yeşil renktedir. Ancak, içine beyaz ışık konduğunda rengi kırmızı olmaktadır. Cam içindeki metalik parçacıkların elektronları uyarmasıyla sadece uzun dalga boylu ışınları yaymakta, kısa dalga boylu ışınlar tutulmaktadır.

Yüzey plasmonları hakkında araştırma 1980 lerde Raman Spektrofotometresi ile başladı. Temeli, numuneden yansıyan lazer ışınlarını gözlemleyerek moleküler titreşimlere göre yapı tayinidir.

Plasmonikler sayesinde yeni keşfedilmiş bir alan olan metamateryallerin doğmasına neden oldu. Metamateryaller elektron titreşimleri sayesinde olağanüstü şaşırtıcı optik özellikler gösteren materyallerdir.

İlk bakışta ışık sinyallerini yansıtmada zayıf optik özellikleri nedeniyle metal kullanmak pratik görünmeyebilir. Elektromanyetik alanda titreşen elektronlar etraftaki atomlar ile çarpışır ve hızla alanın enerjisini tüketir. Ancak metal ve dielektrik arasında plasmonların kaybı, metal içindeki kayıptan daha azdır, çünkü titreşim yapabilecek serbest elektronların olmadığı, böylece enerjinin tükenmediği iletken olmayan maddede yayılmıştır. Bu özellik doğal olarak plasmonları metal yüzeye hapseder ve dielektriğin ortaya çıkmasına neden olur. Yüzeysel plasmonik yapılar bir dalga kılavuzu olarak vazife görmesi nedeniyle elektromanyetik dalgalara metal-dielektrik sınırları arasında yol gösterici olur ve yonga içinde sinyallerin yönlendirilmesini sağlanır. Bir optik sinyalin metal içinde çok kayıp vermesine rağmen bir plasmon dalga yönlendirici sayesinde metal içinde birkaç santim yol alabilir. Metal film yüzeyi alt ve üstünde elektromanyetik alanlar etkileşim yapacağından, plasmonların frekans ve dalga boyları film kalınlığına bağlı olarak ayarlanabilir.


Nano Mermiler ve Görünmez Kılan Örtü

Plasmonik etkisiyle kanser tedavileri mümkün olabilecektir. Doktorlar dış yüzeyi 10 nm kalınlıkta altın kaplı 100 nm çaplı küçük mermileri kan dolaşımı ile kanserli hastaya şırınga ile verecek, nano boyutta mermiler tümöre yerleşecek. Tümöre kızıl ötesi lazer ışını tutulduğunda ışın deriden geçip mermilerdeki elektronları titreşime geçirerek ısınmalarını sağlayacak ve civardaki sağlıklı hücrelere zarar vermeden kanserli hücreleri yakarak öldürmüş olacaklar. Bu, tümörlü farelere uygulanmış, tümör olan bölgede hayvanın vücut sıcaklığı 37 0C den 45 0C çıktığı saptanmış, hayvanda tüm kanser belirtileri kaybolduğu saptanmıştır.
Houston’da bulunan Nanospectra Biosciences, baş ve boyun kanserleri tedavisinde kullanılmak üzere Gıda ve İlaç Kuruluşundan izin beklemektedir. Plasmonikler sayesinde galyum nitrit galyum arsenit yerine LED ler daha ucuza silikondan yapılabilir hale gelecektir.

Bilim insanları lazerin plasmonik versiyonu üzerinde ( SPASER- Surface Plasmon Amplification of Stimulated Emission of Radiation) çalışmakta olup bugün henüz bir teori halindedir. Bu tip lazerler klasik lazere göre daha sıkı lokalize olacağı için çok küçük güçte dahi çalışacak ve çok küçük cisimleri dahi uyarabilecektir. Sonuç olarak da eser miktarda tehlikeli kimyasallar dahi saptanabilecektir.

Belki de plasmoniklerin gelecekte en ilginç uygulaması nesnelerin görünmezliğini sağlanması üzerine olacaktır. 1897 de H.G.Wells “Görünmez Adam” hikâyesini yayımladı. Konu bir bilim adamının kendi vücut kırılma indisinin çevresindeki havanın kırılma indisine eşit hale getirerek görünmezlik sağlamayı başarmasıydı. ( Bir maddenin kırılma indisi, vakum içindeki ışık hızının, madde içinde ışık hızına oranıdır)

Plasmonik bir yapı radrasyon ile uyarılıp, titreşim frekansını havanın kırılma indisine eşit yapmakla ışığı yansıtamaz veya ışık yönünü saptıramaz hale getiririz, cisim ışığı yutar ve seçilen radrasyon frekansında cisim görünmez olur.

Gerçek görünmezlik, görünen ışık tayfının tüm frekanslarında bir cisim saklanabiliyorsa gerçek görünmezlik sağlanır. Böyle bir cihazı yapmak çok daha zordur.

Plasmonikler sayesinde dünyamızda gelecekteki keşifler daha değişik buluşları doğuracaktır.


Kaynak: Scientific American