Lazerin oluşumu

Lazer: İnsanların ışığı örmek için olan kuantum sihirı
Kaliforniya'nın Mojave Çölü'nde, bir astronom grubu gece gökyüzüne 10 metre çapında lazer ışınları gönderiyor. Bu yeşil ışık demeti, yıldızlarla rekabet etmek için değil, atmosferik dalgalanmaları ölçerek teleskopların Hubble görüntüsünden daha net bir evren resmi yakalamalarını sağlamaktır. Bu ışık demetinin özü tam olarak 20. yüzyılın en büyük icatlarından biri - lazerdir. Doğumu tesadüfi değildi, fakat fizikçiler, mühendisler ve malzeme bilimcileri arasındaki uzun bilgelik ırmaklarının sonucu olan bir işbirliğiydi.
Birinci Sahne: Unutulmuş "Hayalet Teorisi"
1917'de, Einstein, Berlin Üniversitesi ofisinde "stimulated emission" (uyarımlı yayılım) varlığından bahseden bir denklem kümesi çıkardı. Bu olay, o zamanlar "teorik hayalet" olarak bilinen, fotonların domino taşları gibi atomları kendilerini tamamen kopyalayan "klonlar" serbest bırakmaya zorladıkları fenomeniydi. Ancak, bu keşif neredeyse 30 yıl boyunca sessiz kaldı - çünkü kimse atomik ordunun toplu olarak kolektif olarak "kaçtığını" sağlayacak bir yol bulamadı.
1951 yılının bir bahar gecesi Columbia Üniversitesi'nden Charles Tows, parktaki bir koltuğa otururken ani bir aydınlanma yaşadı: Belirli bir frekanslı elektromanyetik dalgalarla amonyak moleküllerini bombartmak, yüksek enerji durumundaki parçacıkların sayısını düşük enerji durumundakilere göre artıracak ve bir "enerji sarkacı" oluşturacaktı. Bu fenomen, sonunda mikrodalga bandında elde edildi ve bu da ilk mikrodalga lazerinin (Maser) ortaya çıkmasına yol açtı. Ancak bilimsel topluluk kısa süre sonra dalga boyunu milyon kat kısaltarak görünürlü ışık aralığına ulaştığında bir teknolojik devrim tetikleneceğini anladı.
İkinci Bölüm: Ruby İçindeki Foton Kafesi
1960'ta, Theodore Maiman'ın laboratuvarı, diğer bilim adamları tarafından "ölüm" cezasına mahkum edilen pürye kristalleriyle doluydu. O dönemde, baskın teori, püryelerin enerji seviyesi geçiş verimliliğinin çok düşük olduğuna sahip çıkıyordu, ancak Maiman, krom iyonlarının güçlü ışık uyarımı altında benzersiz bir "üç seviye geçiş" yaşayacağını keşfetti. O, kırmızı taş sütununu bir spiralikseni lambasıyla sardı, sanki bir gök yıldırımı ile bir güzergâhı sınırlıyormuş gibi. Nihayetinde, kristalin her iki ucunda gümüş plaka yerleştirerek bir "foton yankı duvarı" oluşturdu.
Bu cihazda, yalnızca bir kalem boyutunda olan bu cihazda, fotonlar saniye başına 300 milyon kez geri ve ileri hareket eder. Her seferinde kromiyum iyon dizisi üzerinden geçerken, yeni stimalasyonlu ışıma tetiklenir ve ışık şiddeti üstel olarak artar. Kaçan fotonların akımı yarı şeffaf gümüş filmi aşarken, insanlar ilk defa uzaysal-zamansal tutarlılık gösteren derin kırmızı bir lazeri gördüler - tek renkli olma özelliği, güneş ışığından 100.000 kat daha safdı ve yayılım açısı da arama ışığından binde bir oranında daha darydı.
3. Sahne: Nano ölçeğinde Işık dansı
21. yüzyılda lazer teknolojisi, makroskopik malzemelerin sınırlarını kırmıştır. Semi-iletki laboratuvarında, mühendisler, moleküler ırak epitaksi teknolojisi kullanarak, bir insan saçının onbinde biri kalınlığındaki galium arsenit alt tabakaları üzerinde kuantum kuyu yapıları büyütmüşlerdir. Bu nanometrik katmanlar aracılığıyla akım geçtiğinde, potansiyel kuyusunda elektron ve deliklerin yeniden birleşmesiyle salınan fotonlar, Bragg yansıtıcısı tarafından kesinlikle yakalanır ve %90'dan fazla verimlilikte bir minik lazer oluşturur.

Daha da şaşırtıcı olan ise "topolojik lazerler"deki ilerlemeler: Fotonlar, geleneksel lazerlerin sahip olduğu dağılım kayıplarından tamamen etkilenmeden, materyal yüzeyinde bir spiral yolda seyahat ederler; sanki bir Möbius şeridinde ışıklı karınca sürüsü gibi hareket ederler. Bu yapı, hatta bir düğüm haline getirilen dalga rehberinde lazerin kayıpsız iletilmesini mümkün kılar ve bu da fotonik çiplere bir devrim getirir.
Dördüncü Sahne: Gerçekliği Yeniden Yazan Büyülü Işın

Guizhou'daki "Çin Gökyüzü Gölü" radyo teleskobunun yanısıra, bir süperiletken nanoçizgi tek-foton dedektörü, 13.7 milyar ışık yılı uzaktan gelen kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunu lazerlerle yorumlamak için kullanılmaktadır. Her foton geldiğinde, süperiletken malzemedeki bir kuantum faz geçişini tetikler ve bu, bir milyonda bir nanosaniye sinyal değişikliğiyle bir lazer interferometresi tarafından yakalanır.

Tıbbi alanda, femtosekond lazerler "gölgesiz ışık bıçağı"na dönüştü: nöronların hızından binlerce kat daha hızlı bir şekilde korneada mikron boyutunda mercekler oyuyor, çevreyi etkilemeden görüşü düzeltiyor. 2023'te "fotoakustik lazer terapi" ortaya çıktı: altın nanocubukları, yerel plazma rezonansı oluşturmak için yakın-kırmızı lazerleri emiyor ve sağlıklı hücrelere zarar vermeden kanser hücrelerini tamamen yok ediyor.

Einstein'ın tahmininden Maiman'ın rubi ışığına, laboratuvar meraklarından elde tutulabilir cihazlara kadar, lazerlerin evrim tarihi esas olarak ışığın kuantum durumunun insan tarafından kontrolü tarihidir.