VI. szemeszter, 18. előadás – 2005. június 6.

KROÓ NORBERT
A FÉNY FIZIKÁJA

A körülöttünk lévő élettelen világról való ismereteink egy igen jelentős hányadát fény, általánosabban fogalmazva elektromágneses sugárzás útján szerezzük. Az ősrobbanástól az atomok szerkezetéig ez sok mindenre igaz. Kiemelkedő fontosságú a látható fény (optika), hiszen az életfolyamatok és természetesen maga a látás ebben a tartományban zajlik, ugyanakkor ez az egész elektromágneses spektrumnak csak egy igen szűk tartománya. A képzőművészetektől a hírközlésen keresztül a tudományos kutatásokig sok területen van alapvető jelentősége a fénynek. De miniatürizálásra törekvő világunkban is előtérbe került a fény. Megszoktuk, hogy a fény hullámhossza határt szab az optikai rendszerek felbontóképességnek, egy "újfajta fény" azonban megteremtette annak lehetőségét, hogy ezen a korláton átlépjünk. Olyan optikai elemeket és chipeket hozhatunk így létre, amelyek versenytársai lehetnek, sőt lekörözhetik a jelenleg használt elektronikus chipeket nagyobb elemsűrűségükkel, sebességükkel és egy sor más előnyös tulajdonságukkal. Ez a felfedezés olyan paradigmaváltás forrása lehet, mint az elektroncsövekről a tranzisztorokra való áttérés.

I. A FÉNY MINT HÍRVIVŐ

"Tudományos haladásaink eddig csak zavart idéztek elő, így szólnak sokan. Igaz, de a világosságnak, mellyel a teremtés megkezdetett, nem az volt-e első eredménye, hogy a létező kaósz feltűnt, és vajon azért a kaószt a világosságnak tulajdonítjuk-e?" - írta Eötvös József a 19. században, abban az időszakban, amikor James Maxwell az elektromágneses sugárzás tulajdonságait leíró és azóta is pontosnak tartott egyenleteit felírta.

Elektromágneses sugárzás töltött részecskék gyorsulásakor keletkezik és hullámhossztartománya a -sugaraktól a rádióhullámokig széles tartományt fed le. Minden szegmense a világból szerzett ismereteink jelentős részének eszköze. De tágan értve a technológiák, vagyis az emberi beavatkozással előállított struktúrák mérettartománya is ugyanezt a széles tartományt fedi le.

Ennek a széles tartománynak egy igen szűk szegmense a látható fény, amely különös jelentőséggel bír számunkra, mivel szemünk érzékenysége erre a területre korlátozódik, és a biológiai folyamatok energia-, illetve hullámhossztartománya (E=, ahol h a Planck-állandó, c a fénysebesség, ami vákuumban 300 000 km/sec) is a látható és ennek közeli szomszédságába eső területre esik.

A fény tehát életünk fontos része. Hajtja a növények fejlődését, amelytől minden élet függ, lehetővé teszi napi tevékenységeink garmadáját, és mindezt természetesnek tartjuk. De kevesen realizálják, hogy az optikai sugárzás jelentős hatással van az ipari tevékenységre, az orvoslásra, a környezetre, a hírközlésre vagy akár a védelmi erőfeszítésekre is.

A vizuális művészetek megszépítik életünket és egyúttal egy másik dimenzióban bővítik ismereteinket, de a fényhatással járó természeti jelenségek is lenyűgözik a figyelmes szemlélőt. Külön kiemelném az ún. "fénykutya" jelenséget, amely során a lenyugvó nap sugarai a felhőkben keletkező jégkristályokon szóródnak, ami több "melléknap" megjelenését eredményezi. De akár a víz alatti színes világ megfigyelése is gyönyörrel tölthet el bennünket.

De, haladjunk visszafelé az időben, mintegy 13,7 milliárd évet, és kövesük a világegyetem fejlődését napjainkig.

Amit erről a folyamatról tudunk, annak zömét is fény útján gyűjtöttük össze. Az ősrobbanás után mintegy 300 000 évvel átlátszóvá lett a világ, az elektromágnes sugárzás áthatolt az útjában lévő anyagon, és tágulva hűlni kezdett - ugyanúgy, mint a szódavíz előállítására patronba préselt CO2 gáz -, és mára mintegy 3 oK-ra hűlt. Két műhold (a COBE és a WMAP) is mérte ennek a sugárzásnak a hőmérséklet-eloszlását és annak inhomogenitását, és e megfigyelések, vagyis a sugárzás inhomogenitása alapján megérthetjük az "anyagcsomósodások", vagyis a csillagok és galaxisok létrejöttét.

De a világegyetem távoli részeiből jövő fény vizsgálata a csillagok fejlődésének nyomon követését is lehetővé teszi. A Hubble űrteleszkóp egyik korai felvételsorozata, amely a teremtés 3 oszlopa nevet viseli, betekintést enged ebbe a csodába.

Még szebben látható ez a Trifid-ködről készült felvételen az alábbi animáción, 
amelyen jól kivehető, hogy hogyan szívják fel a csillagok gravitációs vonzásuk útján a csillagközi tér anyagát.

Hadd mutassam meg a csillagfejlődés egy későbbi fázisát is egy szupernova-robbanás formájában.

De jöjjünk közelebb térben (és időben). Gondolom, mindnyájan csodálkozással és kíváncsian figyeltük azokat a gyönyörű képeket, amelyeket néhány hónapja közvetítettek a Marson sikeresen tevékenykedő robotjárművek kamerái.

A fény azonban sokkal több számunkra, mint a körülöttünk lévő világ megismerésének eszköze. Fosszilis energiaforrásaink tulajdonképpen az évmilliók folyamán tárolt napfény energiáját szabadítják fel. De a földi élet ma is a napfény kihasználásra épül. Ennek egyik tipikus megnyilvánulása a növényi életfolyamatok alapja, a fotoszintézis, de mi, emberek is nap mint nap találkozunk a napsugarak hasznos (és káros) hatásaival.

II. MI IS VALÓJÁBAN A FÉNY?

Samuel Johnson szerint mindnyájan tudjuk, hogy mi a fény, de nehezen tudjuk megmondani.

Úgy gondolom - és ezt a Mindentudás Egyeteme számos korábbi előadása is alátámasztotta -, hogy a legegyszerűbb választ a feltett kérdésre a fény tulajdonságainak leírásával adhatjuk meg.

A geometriai optika a fényt sugarak formájában írja le, amelyek visszaverődnek felületekről, elhajlanak, ha más tulajdonságú (törésmutatójú) anyagba lépnek. E jelenségek alapján tükrök és lencsék hozhatók létre, és ezeknek az elemeknek a felhasználásával kamerákat, teleszkópokat vagy mikroszkópokat építhetünk.

A fizikai optika a fényt hullámként fogja fel, amelyet hullámhossza, rezgési síkja, vagyis polarizációja, terjedési sebessége (amely közegfüggő) és intenzitása jellemezhet. A hullámok egymással interferálhatnak, amire két példát mutatok az alábbi animációkon: 1) Azonos hullámhosszú fény két résen áthaladva fényes és sötét csíkokból álló interferencia-képet eredményez; 2) és a fény hullámhosszával összemérhető rácsparaméterű optikai rácsról visszaverődő fény szétbontja a különböző hullámhosszú komponenseket.

A kvantummechanika megszületése a fényről alkotott ismereteinket is alaposan átalakította. A hullámtulajdonság mellett (vagy azzal együtt) megjelent a részecskeszerű viselkedés (és természetesen ennek magyarázata). Ennek legdemonstratívabb példája a fényelektromos jelenség, melynek magyarázatáért (1905) Albert Einstein Nobel-díjat kapott.

Az alapmegfigyelés a következő: fény hatására a fémekből elektronok léphetnek ki, de ez függ a fény hullámhosszától. Csak egy jól meghatározott hullámhossz alatt (frekvencia felett) lép fel a jelenség, és a kilépő elektronok sebessége (mozgási energiája) a fény rezgésszámától és nem intenzitásától függ. 

Ez csak a fény részecsketulajdonsága alapján érthető meg. A foton mint részecske jelenik meg egy másik példámban is. A kétréses  interferencia-kísérletet, amit a 19. ábrán mutattam be, elvégezték csökkenő fényintenzitás mellett egészen addig a szélsőségig, amikor egy időben csak egy foton lehetett jelen a mérőberendezésben, és a interferencia-csíkok megjelenése ebben az esetben sem maradt el. 

Ez azt bizonyítja, hogy a foton önmagával is képes interferálni, vagyis egyszerre bizonyos valószínűséggel mindkét résen haladhat át. Ez a megfigyelés a kvantummechanika eszközeivel jól leírható és magyarázható. 

Az előadás ezen első részében még egy témára kívánok kitérni azzal a céllal, hogy valamiféle összefoglaló ernyőt borítsak a fölé a sok előadás fölé, mely valahogyan a fényhez kapcsolódott a Mindentudás Egyetemén. Ez a téma a fény előállítása. Tudjuk, hogy a világegyetemből (elsősorban a Napból) hozzánk érkező fény termonukleáris "kályhákból" származik. Mindennapi életünk azonban nagyszámú mesterséges fényforrást is kihasznál. A különböző világító forrásoktól a nagyteljesítményű lézerekig sok minden került elő a ME előadásaiban is. Nem kívánok ezekre újra kitérni, csak felsorolok néhány példát a 0,1 W/cm2-től a világrekord 1021 W/cm2 teljesítménysűrűségig, nem említve a 0,1 W/cm2 alatti, egészen az egyes fotonokig terjedő tartományt. 

Ezek a különböző elveken nyugvó és különböző tulajdonságokkal is rendelkező fényforrások a tudományos kutatás, az orvosi diagnosztika és terápia, a precíziós méréstechnika, az ipari technológiák, az információs és kommunikációs technológiák, a hadászat, vagyis mint már említettem, az emberi tevékenység minden területén megtalálhatók.

III. AZ ELEKTRONIKUS CHIPEK VERSENYTÁRSA

Az előadás hátra lévő része a jövőről szól, s egy olyan példát mutat be, mely szorosabban kötődik szakterületemhez, és amely igen kedves a szívemnek.

A miniatürizáció területére kalauzolom Önöket. Sok területen sikerül megvalósítani azt a szándékot, hogy a fényt az információs és kommunikációs technológiák szolgálatába állítsuk. Gondoljanak csak a fényvezető optikai szálakon továbbított információra, a litográfiára vagy a félvezető lézerekre. Nem sikerült azonban megkerülni azt az alapvető törvényt, hogy az alkalmazott fény hullámhosszánál jóval kisebb méretek optikai módszerekkel történő felbontása lehetetlen.

A továbbiakban megkísérlem Önöket meggyőzni arról, hogy ez mégis lehetséges. Ehhez a manapság oly divatos nanotechnológia birodalmába kell belépnünk. A nanotechnológia arra törekszik, hogy az atomok és molekulák méretével vetélkedő alkatrészekből állítson elő eszközöket. Persze ez csak fokozatosan, lépésenként érhető el. A mikrométeres mérettartomány gépei azonban már bevonultak a gyakorlatba. 

De ha már a mechanikus eszközöknél tartunk, szeretném megemlíteni, hogy további méretcsökkentéssel sikerült demonstrálni, hogy mechanikus rezgő rendszerek memória célú felhasználása is lehetséges, sőt már a fénnyel hajtott mikrogépek alkalmazása is gyakorlati lehetőség.

A továbbiakban egy új fejleményről kívánok beszélni, amely rövid időn belül olyan paradigmaváltást eredményezhet, mint a szállításban a hajóról a repülőre vagy az elektronikában az elektroncsőről a tranzisztorra való áttérés.

Emlékeztetni szeretnék arra, hogy a félvezető anyagokból azért lehetett tranzisztorokat, diódákat, fényemittáló diódákat és lézereket létrehozni, mert van bennük egy olyan anyagfüggő energiasáv, amelyben nem tartózkodhatnak elektronok, ezért tiltott sávnak nevezzük.

Szennyezésekkel ebben a tiltott sávban olyan energianívókat hozhatunk létre, amelyek ugyancsak szükségesek a legismertebb félvezető elemek, a tranzisztorok működéséhez. A tranzisztor legegyszerűbb formájában két különböző, a félvezető anyagnál több (donor n-típusú), illetve kevesebb (akceptor p-típusú) elektronnal rendelkező atomokkal szennyezett réteg kombinációjából áll p-n-p vagy n-p-n formában, és a rajta keresztül folyó áramot külső feszültség segítségével szabályozni lehet.

Felmerül a kérdés, hogy nem lehetne-e fénytranzisztort, vagy más, az elektronikában használatos elem optikai megfelelőjét létrehozni? Ehhez az elektronikus analógia alapján olyan szerkezetet kellene megalkotni, amelyben van olyan energiasáv, amelybe eső energiájú fotonok nem terjedhetnek. Ilyet mind két, mind három dimenzióban sikerült felépíteni. 

Természetesen a létrehozott rács egyes elemei közötti távolságnak ehhez az alkalmazott fény hullámhosszának nagyságrendjébe kell esnie. Látható fény esetében ez azt jelenti, hogy mintegy 0,5 körüli értéknél kisebb méretű elemeket nem lehet létrehozni, amelyek sokkal nagyobbak, mint a jelenlegi elektronikus elemek mértei. Egyébként az ilyen szerkezeteket, mivel a természetben nem léteznek, metaszerkezeteknek nevezünk, de még találóbb a fotonikus kristály elnevezés. Rácshibákkal egyébként itt is lehet a tiltott sávban szennyezési nívókat létrehozni. Az, hogy ilyen struktúrák a természetben nem léteznek, nem egészen igaz, mivel például a lepkék színes szárnyai is ilyen szerkezetűek, vagyis a természetben is megvalósult a fotonikus kristályok analogonja.

A fotonikus kristályokkal azonban még nem teremtettük meg a miniatürizálás feltételeit a fény hullámhosszához igazodó, már említette felbontóképesség-határ miatt, amit az optikában diffrakciós limitnek nevezünk.

Felmerül a kérdés, hogy lehet-e ezen a problémán segíteni? A válasz: igen, de ehhez egy "újfajta fényt" kell segítségül hívni. Ehhez - legalábbis egy időre - el kell felejtenünk, amit az optikáról tanultunk, vagyis mindazt, amit az eddigiekben tárgyaltunk.

IV. FELÜLETI PLAZMONOK

Ha egy tárgyat megvilágítunk, azt a róla visszaverődő fény segítségével figyelhetjük meg szemünkkel, mikroszkópon vagy távcsövön keresztül, mégpedig a tárgytól távolabb. Ezért a visszaverődő fény terét távoli térnek nevezzük. 

Ebben a térben a fényhullámok elektromos és mágneses tere (elektromágneses tér!) azonos nagyságú és kölcsönösen függ egymástól. De van ennek a fénynek egy másik komponense is, amely a "felülethez ragad", és amelyben a mágneses komponens gyenge az elektromoshoz képest. Ezt közeli térnek nevezzük. Erre a térre nem érvényes a diffrakciós limit, és az ilyen fényben interferencia sem lép fel. Van remény tehát arra, hogy ilyen fénnyel a hullámhossznál (sokkal) kisebb mérettartományban működő struktúrákat hozzunk létre.

Különösen ígéretes az a speciális eset, amikor a közeli teret egy fém felületén hozzuk létre. Az optika számára a fémek - kivéve a tükröket - nem voltak vonzó anyagok nagy abszorpciójuk miatt. Az ún. felületi plazmonok azonban új lehetőségeket nyitottak.

Mik is ezek a felületi plazmonok? Fény segítségével - egy kis ügyeskedéssel - a fém felületén lévő ún. vezetési elektronokat hullámszerű mozgásra kényszeríthetjük, melyben sűrűsödések és ritkulások váltják egymást. Ezek hullámhossza azonban rövidebb a gerjesztő fény levegőben megfigyelt hullámhosszánál. A plazmonok energiája és hullámhossza (impulzusa) közötti kapcsolatot diszperziós összefüggésnek nevezzük. A felületi plazmonok hatékony gerjesztése akkor valósul meg, ha a két hullámhossz vagy annak reciproka, az impulzus (k=) egyezik (impulzusmegmaradási törvény). 
Az üvegekben a fény hullámhossza lényegesen rövidebb, mint a levegőben. Az impulzus tehát lényegesen nagyobb. Megfelelően választott szög alatt beeső fény impulzusának a felületen lévő vetülete megegyezhet a fotonéval azonos energiájú felületi plazmon impulzusával. Ennek a feltételnek a legegyszerűbben úgy tehetünk eleget, hogy üvegprizmára párolunk - igen vékony, áttetsző - fémréteget, és azt a prizma oldaláról világítjuk meg. 

A lezajló folyamatot az animáció mutatja. A beeső fény a prizma-levegő felületről visszaverődik (az optikában ezt teljes visszaverődésnek hívjuk), de a felület levegő felőli oldalán, ahhoz hozzátapadva és attól távolodva exponenciálisan csökkenő térerősséggel megjelenik az óhajtott közeli tér.

Mivel ebben a közeli térben nem érvényes a gerjesztő fény hullámhossza által megszabott felbontóképesség-korlát, segítségével akár a fémben lévő szomszédos atomok távolságával összemérhető felbontóképességű mikroszkóp építhető. Egy ilyen mikroszkóp látható a 34. ábrán. 

Egy igen hegyes fémtű hatol be a lézerfénnyel, például üveg prizmán keresztül a vékony fémréteg levegővel határos oldalán gerjesztett felületi plazmonok közeli terébe, amikor is a tű és a fémfelület között a térrel arányos áram folyhat. A tűt a felület felett úgy mozgatjuk, hogy a tőle való távolsága állandó legyen, egy ún. piezoelektromos kerámiára adott feszültség változtatásával. A feszültségváltozás a felület topográfiáját adja vissza, az ugyanekkor mért áram pedig a felületi plazmonok terét, illetve a plazmontér kikapcsolása után az általa a felületen okozott felmelegedést adja meg. A 35. és a 36. ábra ilyen képhármast mutat be "sima", illetve barázdált aranyfelületen. 

Ilyen típusú mikroszkópokkal atomi léptékű technológiák (nanotechnológa) is megvalósíthatók, például atomokat tologathatunk egy felületen, és tetszőleges rajzolatokat alakíthatunk ki.

Az impulzusmegmaradási törvény teljesülését a foton felületi plazmon-rendszerre egy másik lehetséges módon is elérhetjük, amikor a hiányzó G impulzust egy optikai rács teremti meg. Szemléletesen azt is mondhatjuk, hogy a rács hullámos felülete miatt a fény effektív hullámhossza kisebb, tehát impulzusa nagyobb.

Térjünk most vissza a felületi plazmonok diszperziós összefüggéséhez, és vizsgáljuk azt az esetet, amikor a fény fotonjai és a felületi plazmonok közti csatolást egy optikai rács segítségével valósítottuk meg. Található olyan rácsparaméter, amelynél két (szimmetrikus és antiszimmetrikus) módus valósul meg ugyanazon hullámhosszal, de eltérő energiával, vagyis kialakul egy tiltott energiasáv, amelyben fény nem terjedhet, ugyanúgy mint a fotonikus kristály esetében. Mos azonban a hullámhossz által determinált méretkorlátozás nélkül.

Ennek az új típusú fénynek a segítségével tehát megvalósíthatóak a félvezetők esetén megismert eszközök (tranzisztor) optikai analogonjai, akár nanométeres struktúrák formájában is. Mivel azonban a fény gyorsabb az elektronok mozgásánál, ezeknek az eszközöknek a sebessége is nagyobb lesz elektronikus megfelelőiknél.

A felületi plazmonok egy nanoméretű fémgömb felületén is gerjeszthetők, és ilyen gömböcskéket sorba rakva azok egymásnak adhatják át a gerjesztést hullámvezetőt alkotva. Egy ilyen hullámvezetőn végigfutó, a korábbiakban leírt mikroszkóppal megfigyelt hullámterjedést mutat a 41. ábra. Nanogömbök segítségével a 42. ábra szerinti geometriában lencsét is létrehozhatunk, amely a plazmonfényt akár 1 nm-es tartományra lefókuszálhatja. A fémgömbök helyett fémfóliába "égetett" lyukak is megfelelnek.

Ha ilyen (azonos méretű) lyukakból síkrácsot hozunk létre, akkor a 43. ábrán látható plazmon tiltott sáv alakul ki, és ha hibákat is beépítünk, akkor a tiltott sávban egy hibasáv is létrejön, akárcsak a félvezetőkben. Akár azt is el tudjuk érni, hogy a plazmonfény (ha megfelelő hullámhosszúságú) merőlegesen eltérüljön.

Néhány éve T. Ebbesen norvég fizikus egy érdekes megfigyelést tett. Vékony aranyfóliába ~ 200 nm-es lyukakat fúrt egymástól 200 nm-es távolságra, és mintegy 1 millió ilyen lyukból négyzetrácsot hozott létre. A klasszikus optika szabályai szerint ezen nem szabadna fénynek átlépnie, mégis látta a lemez mögötti tárgyakat. 

Pontos méréseket végezve kiderült, hogy több fény jutott át a fólia túlsó oldalára, mint a lyukak összterületére eső fény. Néhány évvel később sikerült is ezt a megfigyelést megmagyarázni azzal, hogy a fény felületi plazmonok közvetítésével lépett a másik oldalra. Ugyanúgy vékony (akár néhány nm-es) fényszálon terjedhetnek a felületi plazmonok, ami akár arra is lehetőséget ad, hogy az elektronikus chipek elemeit összekötő huzalok is felületi plazmon-kapcsolatot teremtsenek az elektronikus chip egyes áramköri elemei között.

Az elmondottak alapján gondolatban felépíthetünk olyan optikai chipeket, amelyekben az elektronikus chipeknél az elektronok mozgása által megvalósuló folyamatokat a felületi plazmonok mozgása váltja fel. A tranzisztor helyett "fénytranzisztor" az alapelem. Az összekötő vezetékek felületi plazmon hullámvezetőként működnek. A fényvezető szálon, melynek átmérője mikrométer nagyságrendű, érkező és a feldolgozandó információt hordozó fényt felületi plazmonokká alakítva plazmonlencsék segítségével fókuszálhatjuk le a nanométeres tartományba.

Tehát elvileg a különböző elemek összerakásával többek között tetszőleges információs és kommunikációs technológiai feladatokat ellátó optikai chipeket lehet összeállítani, melyek véleményem szerint 10-20 éven belül elektronikus megfelelőik versenytársai lehetnek.

V. ATOMOK, FÉNY ÉS INFORMATIKA

Végezetül arról, hogy a fény atomi szinten is munkára fogható. Az egyes atomok fénykibocsátásra kényszeríthetők, ami megfigyelhető. És mivel - mint láttuk - az atomok a közeli tér-mikroszkópok tűjével tologathatók, például atomi (esetleg molekuláris) számológépet is lehet építeni.

De tetszőleges számú atom (ion) is sorba állítható alkalmas csapdában, igen alacsony hőmérsékleten. 

Ha ezeket az atomokat kvantummechanikailag összekapcsoljuk, egy kvantumszámítógép alapeszközét teremtettük meg. Néhány atommal ez már sikerült is, de a rendszer még "törékeny", pedig ha ezt több atommal meg tudnánk valósítani, a jelenlegi "klasszikus" számítógépeknél sokkal hatékonyabb kvantumszámítógépeket építhetnénk.

Az előadás elején említettem, hogy a fény sebessége vákuumban ~ 300 000 km/sec. Sűrűbb anyagban ennél lassabb, de még mindig igen nagy, a törésmutató (az anyag optikai sűrűségét kifejező arányszám, vákuumban 1, üvegekben 1,5 körüli) négyzetgyökével csökken. Két megfelelő színű lézer egyidejű alkalmazásával elérhető, hogy például egy gáz törésmutatója igen nagy, akár végtelen nagy legyen, és ekkor a fény sebessége a gyalogos tempójára csökkenthető, akár megállítható. Ezen jelenség igen ígéretes gyakorlati alkalmazási lehetőségeket sejtet, melyek felvázolása azonban túlmutat az előadás keretein.

Összefoglalva elmondhatjuk, hogy a fény életünk meghatározója, talán a legfontosabb információs forrásunk. Egy újfajta fény a nanotechnológiában, az ez ideig a fényt kizáró területen kecsegtet forradalmian új lehetőségekkel, amelyek a tiltott sáv koncepciójának az elektronikáéhoz hasonló alkalmazásán és a felületi plazmonok felhasználásán alapulnak. A fény sebessége tetszőlegesen csökkenthető, ami újabb alkalmazásokhoz vezethet, és reményünk van arra, hogy a kvantummechanika elvein működő számítógépet építhetünk, ahol a fénynek is szerepe lehet.