Bilim insanları, simetrik yapıya sahip kristallerin sağa ve sola dönen ışığı farklı emdiğini keşfederek kristal fiziğine dair temel bir varsayımı çürüttü.
Kristaller, doğada belirli geometrik düzenlerle oluşan katı maddeler olarak tanımlanıyor. Atomları ya da molekülleri düzenli biçimde tekrar eden bir yapılara sahip. Bu düzen, kristallere hem estetik bir görünüm hem de kristallere özgü fiziksel özellikler kazandırıyor. Örneğin, tuz taneleri, elmaslar ya da kuvars kristalleri bu yapının farklı örnekleri olarak biliniyor. Kristallerin nasıl davrandığı, genellikle bu iç düzenin simetrisiyle açıklanıyor. Ancak yeni bir keşif, kristal fiziğine dair uzun süredir kabul edilen bir bilginin sorgulanmasına sebep oldu.
Northwestern Üniversitesi ile Wisconsin-Madison Üniversitesinden bilim insanları, kristallerin ışıkla olan etkileşimlerini inceleyen yeni bir araştırma yürüttü. Araştırmanın sonucunda, şimdiye kadar yalnızca simetrik olmayan kristallerin gösterebileceği düşünülen bir özellik, tam simetrik bir kristalde gözlemlendi. Üstelik bu gözlem, kristallerin ışığı nasıl emdiğiyle ilgili ezberleri bozacak nitelikte. Araştırmanın sonuçları 12 Haziran 2025’te Science dergisinde yayınlandı.
Araştırma konusunun temelinde iki önemli kavram yer alıyor: “Centrosimetri” ve “Kiralite.” Centrosimetrik kristaller, merkez noktalarından her yöne eşit ve simetrik olan kristaller olarak tanımlanıyor. Yani bu kristallerin yapısı, herhangi bir yöne bakıldığında kendini tekrar ediyor. Bu simetri nedeniyle bilim insanları, bu tür kristallerin yönlü ışıklara karşı da eşit davranacağını düşünüyordu.
Kiralite ise, bir nesnenin kendi ayna görüntüsüyle örtüşmemesi anlamına geliyor. Örneğin sağ ve sol eller birbirinin aynası/simetrisidir, ama üst üste konulduklarında tam olarak örtüşmezler. Bu özellik moleküllerde de gözlemlenebiliyor. Doğadaki birçok molekül “sağ elli” ya da “sol elli” olarak bulunabiliyor ve bu fark biyolojik sistemlerde hayati önem taşıyor. Örneğin, bazı ilaçların bir formu tedavi edici olurken, molekülün ayna/simetrik versiyonu zararlı etkiler gösterebilir.
Bilim insanları uzun yıllardır, yalnızca simetrik olmayan, yani yapısal olarak asimetrik kristallerin kiral davranış gösterebileceğini kabul ediyordu. Ancak bu yeni çalışmada, centrosimetrik yani tamamen simetrik bir kristalin de kiral ışığa farklı tepki verdiği görüldü.
Işıkla etkileşim: Simetrik kristalin beklenmedik davranışı
Araştırma ekibi, litiyum, kobalt ve selenyum oksitten oluşan özel bir kristal üzerinde çalıştı. Bu kristal, merkezden her yöne simetrik olduğu için, döner biçimde yayılan ışıkları, yani dairesel polarize ışıkları eşit şekilde emmesi bekleniyordu. Dairesel polarize ışık ise bir vida gibi döne döne ilerleyen ışıktır ve sağa ya da sola dönebilir.
Ancak yapılan ölçümler, kristalin sağa dönen ışığı, sola dönen ışıktan daha fazla emdiğini gösterdi. Bu, kristalin yönlü ışığa karşı farklı tepkiler verdiğini, yani kiral davrandığını ortaya koydu. Oysa kristalin yapısı, bu davranışı göstermemesi gerektiğini söylüyordu.
Northwestern Üniversitesinden kimya profesörü Roel Tempelaar üniversite bültenine verdiği demeçte, “Kristallerin nasıl davranacağını sadece simetrilerine bakarak tahmin edebiliyorduk. Bu örnek, kristallerin göründüğünden daha karmaşık olabileceğini gösterdi,” diyerek buluşun önemini vurguladı.
Tempelaar ve ekibi, bu olasılığı önce bilgisayar ortamında, moleküllerdeki kiralite üzerine geliştirdikleri hesaplama yöntemleri ve simülasyonlarla inceledi. Bu hesaplamalar, belirli koşullarda centrosimetrik kristallerin de kiral davranış gösterebileceğini öne sürdü. Ardından Wisconsin-Madison’daki ekip bu kristali laboratuvar ortamında sentezleyerek deneysel testlere başladı ve sonuçlar teoriyi doğruladı. Tempelaar, “Aslında ilk denediğimiz kristalle başarılı olduk. Bu da bize, benzer başka simetrik kristallerin de bu özelliği taşıyabileceğini gösteriyor,” sözlerini kaydetti.
Tempelaar ve ekibinin keşfi, sadece kristal fiziğiyle ilgili düşünce biçimlerini değiştirmekle kalmıyor, aynı zamanda ışıkla çalışan teknolojilerde de yeni kapılar açma potansiyeli taşıyor. Özellikle ekran teknolojileri, ışık sensörleri, optik filtreler ve güvenli veri iletimi gibi alanlarda kullanılabilecek yeni malzemelerin kapısını aralayabilir.
Kiral ışık tepkileri veren simetrik kristaller, daha parlak ekranlar ya da daha hassas dedektörler gibi uygulamalarda fark yaratabilir. Ayrıca optik iletişimde ışığın yönünü kullanarak daha hızlı ve güvenli veri aktarımı sağlanabilir.
Kaynak: Northwestern University
