Fizikai Nobel-díj az optikai kommunikációért és a CCD-érzékelőért

Október 6-án, kedden 11.45-kor Stockholmban kihirdette az idei év fizikai Nobel-díjazottjait a svéd Karolinska Intézet illetékes bizottsága. A díjat megosztva (fele-fele arányban) Chales K. Kao (Honkong University), illetve Willard S. Boyle és George E. Smith (mindketten Bell Laboratories, USA) kapta, az optikai kábelen történő kommunikáció alapjainak kidolgozásáért, illetve a képalkotásban új távlatokat nyitó CCD-érzékelő fejlesztéséért.

Az idei Nobel-díjat olyan alapkutatásokért ítélték oda, amelyeknek mára számos alkalmazása született a mindennapi életben, és új eszközökkel gazdagították a tudományos kutatásokat is.

Charles K. Kao 1966-ban tett olyan felfedezést, amely áttörést jelentett a száloptikával kapcsolatos kutatásokban. Kiszámította, hogy különösen tiszta üvegből készülő szálakon sok száz kilométerre is küldhetők fényimpulzusok, az akkori rekordot jelentő 20 méter helyett. A gyakorlati megvalósításra mindössze 4 évet kellett várni. Ma életünk már elképzelhetetlen optikai kábelek nélkül: a telefon- és az internetes adatforgalom zöme ezeken zajlik szerte a világban. Az összes kábel hossza körülbelül egymilliárd kilométer lehet, azaz mintegy 25 ezerszer érnék körül az Egyenlítőt.

A fényhullámok fő előnye a rádióhullámokhoz képest a magasabb frekvencia, ami magasabb adattovábbítási rátát tesz lehetővé. Napjainkban egyetlen optikai szálon néhány terabit továbbítható másodpercenként, ami körülbelül egymilliószor több, mint amit fél évszázada rádióhullámokkal lehetett elérni.

A száloptika alkalmazása más területeken is fontos, például az orvostudományban, a lézertechnológiában és az érzékelőknél. A száloptikás kommunikáció egyik legmodernebb példája az a hálózat, amelyet a CERN-ben fejlesztettek ki, és amely a nagy hadronütköztető (LHC) detektorairól lezúduló adatok továbbítását szolgálja majd.

Az optikai szál olyan átlátszó szál, melyben a teljes visszaverődés elve alapján halad keresztül a fény. A szál egy üveg- vagy műanyag magból áll, ezt a héj védi, a visszaverődés a mag és a héj határán történik. Elsőként a gasztroszkóp (a gyomor belsejét vizsgáló eszköz) kifejlesztői alkalmaztak optikai szálat (szálkötegben) képátvitelre 1956-ban. Hogy a korabeli optikai szálak csillapítását szennyeződések okozzák, azt a Charles K. Kao és George A. Hockham fedezték fel 1965-ben. Ez a felismerés azért volt fontos, mert a szennyeződéseket könnyebb megszüntetni, mint a fény szóródását és a többi alapvető fizikai hatást.

Kao és Hockham kijelentették, hogy az optikai szálak kommunikációban való alkalmazásának a csillapítás 20 dB/km alá csökkententése a feltétele. A 20 dB/km azt jelenti, hogy a szál egy kilométerén a jel energiájának 99 százaléka nyelődik el. A mai szálak vesztesége egy kilométeren 0,2 - 0,3 decibel, ez 5-7 százalékos energiaveszteséget jelent. Ennek köszönhetően egy kábelszakasz erősítés nélküli 100 km hosszú is lehet.

Az optikai szálak főbb felhasználási területei:

Hírközlésben: telefon, jelátvitel a számítógépes hálózatokban

Orvosi alkalmazások: több száz vagy ezer szálat fognak össze egy kötegbe, hogy fényt juttassanak a belső szervek vizsgálatához

Képtovábbítás az orvostudományban: műtéteknél, endoszkópos vizsgálatoknál

Optikai szálakból készült lámpák

Digitális képalkotás

A kábeleken zajló adatforgalom nagy részét digitális képek teszik ki, ezekkel kapcsolatos az idei fizikai Nobel-díj másik fele. Willard S. Boyle és George E. Smith 1969-ben készültek el az első olyan képalkotási módszerrel, amelyben digitális érzékelőt használtak. Ez volt a CCD-technológia (Charge-Coupled Device). Az eszköz a fényt elektromos jelekké alakítja. A CCD a digitális képalkotó eszközök szeme, amely forradalmasította a hétköznapi fényképezést, de számos helyen alkalmazzák például az orvosi gyakorlatban is. Érzékenysége révén olyan területekre nyerhettünk bepillantást, mint például a távoli Világegyetem vagy a tengerek mélye.

A CCD-t kifejlesztő laboratórium eredetileg egy képtelefonon és a félvezető buborékmemória kifejlesztésén dolgozott. A kettőt összekötve fejlesztette ki Boyle és Smith az általuk töltés-buborék eszköznek (Charge "Bubble" Devices) nevezett rendszert. Az eszköz lényege az a képesség volt, hogy töltést tudott végigvinni egy félvezető felületén. A CCD első alkalmazása memóriaeszköz volt, ezért csak a bemeneti regiszteren keresztül kapott töltést. Hamarosan kiderült, hogy fénnyel is fel lehet tölteni az elemeit, és így kép hozható létre. 1970-ben a Bell kutatói képesek voltak képet létrehozni egyszerű lineáris eszközökben: világra jött a CCD. A Fairchild cég volt az első a kereskedelmi eszközök terén. 1974-ben egy lineáris, 500 elemes és egy kétdimenziós, 100 x 100 pixeles eszközt fejlesztett ki.

A CCD (Charge-couplet Device, töltés-csatolt eszköz) egy analóg jelek továbbítására szolgáló elektronikai alkatrész-sorozat (analóg shift regiszter). Fényérzékeny alkatrésszel, fotodiódával kombinálva a fényt elektronikus jelekké alakítja. Egy külső áramkör segítségével minden kondenzátor átadja a töltését a szomszédjának, így kiolvasható a kép.

A CCD-ket a digitális fényképezésben, a csillagászatban, videokamerákban és optikai szkennerekben alkalmazzák. A csillagászatban fényességmérésre, optikai és UV spektroszkópiára és nagysebességű technikáknál használják.

A díjazottak

Charles Kuen Kao 1933-ban született Sanghajban, brit és amerikai állampolgár. 1965-ben doktorált elektromérnökként az Imperial College Londonban. A nagy-britanniai Standard Telecommunication Laboratories mérnöki részlegének igazgatója, illetve a Chinese University of Hong Kong dékánhelyettese volt, mielőtt visszavonult 1996-ban.

Willard Sterling Boyle 1924-ben született a kanadai Amherstben, kanadai és amerikai állampolgár. A quebec-i McGill University-n doktorált fizikából 1950-ben, később az amerikai Murray Hillben működő Bell Laboratories kommunikáció-tudományos részlegének igazgatója volt. 1979-ben vonult vissza.

George Elwood Smith amerikai állampolgár, 1930-ban született a New York állambeli White Plainsben. 1959-ben doktorált fizikából a Chicagói Egyetemen. Szintén a Bell Laboratories munkatársaként dolgozott, 1986-ban vonult vissza.

Ki kap még idén Nobel-díjat?

Hétfőn jelentették be orvosi-élettani Nobel-díjat: ezt a telomérák és a telomeráz enzim felfedezéséért és az ezekkel kapcsolatos úttörő kutatásokért Elizabeth H. Blackburn (University of California San Francisco), Carol W. Greider (Johns Hopkins School of Medicine Baltimore) és Jack W. Szostak (Harvard Medical School) kapta megosztva (mindegyikük egyharmad arányban).

A Thomson Reuters, a világ vezető elektronikus adatszolgáltató vállalata előzetesen idén is megtippelte, kik az esélyesek a tudományos világ legnagyobb kitüntetésére. Jóslataik 2002 és 2008 között összesen 15 esetben bizonyultak helyesnek, többek között a tavalyi évben is, amikor a Kaliforniai Egyetemen dolgozó Roger Tsien és két munkatársa kapta a Kémiai Nobel-díjat a biotechnológiai kutatásokban fontos szerepet játszó zöld fluoreszcens fehérje felfedezéséért.

Az már biztos, hogy egyik tippjük idén is bejött: az orvosi-élettani Nobelt érdemlő telomerák kutatása is szerepelt a cég jósalatai között. Holnap, október 7-én a kémiai Nobel idei díjazottját, díjazottjait hirdetik ki. A Nobel-eseményekről a kihirdetést követően beszámolunk rovatunkban. A Thomson Reuters idei kémiai nevezettjeiről részletesen Ki kap idén Nobel-díjat? című cikkünkben olvashat.

A Thomson Reuters tippjei az idei fizikai Nobel-díjakra a következők voltak:

Az Aharonov-Bohm hatás és a Berry fázis felfedezéséért: Yakir Aharonov (Chapman University, Calif.), Sir Michael V. Berry (University of Bristol).

Az Aharonov-Bohm hatás egy kvantummechanikai jelenség: egy elektromosan töltött részecskére azon a helyen is hat az A elektromágneses vektorpotenciál, ahol mind a B mágneses tér, mind az E elektromos tér értéke nulla. Következésképpen a vektorpotenciállal a jelenségek tágabb köre írható le, mint az elektromos és mágneses terekkel. A klasszikus elekromágnesességben e kétfajta leírás ekvivalens, a kvantumelektrodinamikában a vektorpotenciál az alapvetőbb. Az elektromos és a mágneses terek leszármaztatása a vektorpotenciálból nem megfordítható művelet (nem létezik inverze). Ezenkívül léteznek olyan fizikai jelenségek, melyek csak a vektorpotenciáltól függnek. Az Aharonov-Bohm hatás éppen ilyen, ennek legnevezetesebb esete az Aharonov-Bohm szolenoid-effektus, mely szerint egy hosszú, áramjárta szolenoid belsejében a hossztengely mentén haladó töltött részecske hullámfüggvényének fázisa eltolódik. Az eltolódás oka a szolenoid belsejében levő mágneses tér, jóllehet a részecske pályája mentén ennek értéke nulla, mi több, deriváltja (gradiense) is nulla. Ezt a fázis-eltolodast kísérletileg is sikerült megfigyelni, és ez azt is igazolta, hogy a lokálisan ható klasszikus elektromágneses tér fogalma nem elégséges a kvantummechanikai előrejelzésekre. A jelenség során észlelt fáziseltolódás neve Berry fázis, más néven geometriai fázis, mely más, még klasszikus ciklikus mozgásoknál is fellép.

A kvantumoptika és a kvantumszámítógépek megalapozásáért: Juan Ignacio (Max Planck Institute), Peter Zoller (University of Innsbruck).

Hideg atomok, kvantumoptika, kvantuminformáció: mindhárom kulcsszó a kvantumszámítógépek fejlesztéséhez tartozik, melynek elméleti leírása 1995-ben született meg, és azon a sejtésen alapult, hogy az úgynevezett ioncsapdákban lehűtött atomok ionjai elektromos tér által befoghatók és lézerrel manipulálhatók (beírás, kiolvasás). Már léteznek mikroskálájú kvantumszámítógép prototípusok, melyek az ioncsapda elvén működnek. Ezekben a kvantuminformáció elemi egysége a qubit, melynek értéke két állapot, a 0-ás és az 1-es szuperpozíciója. A qubitet megvalósító rendszer atomi méretű, például egy polarizált foton vagy egy vegyértékelektron spinje. Az utóbbi esetben a qubit ionja ioncsapdában van. A qubitekkel való műveletek nagy előnye a gyorsaság, mert a szuperponált állapotok egy lépésben dolgozódnak fel, míg a hagyományos számítógépek egymás után hajtják végre az utasításokat.

A negatív fénytörés megjósolásáért és felfedezéséért: Sir John B. Pendry (Imperial College of Science and Technology, London), Sheldon Schultz (University of California San Diego), David R. Smith (Duke University).

Akkor negatív a fénytörés, ha a törésmutató is negatív. Ennek megvalósítására az úgynevezett metaanyagok képesek, melyeknek mind a permittivitása, mind a permeabilitása negatív. Negatív fénytöréskor a törőfelület két oldalán levő anyagok egyikében pozitív a fény fázissebessége, a másikban - a metaanyagban - negatív. A metaanyagokból szuperlencséket lehet előállítani, melyek úgy térítik el a tárgyra érkező fénysugarakat, hogy azok a metaanyaggal beburkolt tárgyat megkerülve folytatják útjukat, így a tárgy helyett annak háttere látszik, maga a tárgy pedig gyakorlatilag láthatatlan lesz. Metaanyagokkal már több kísérlet történt láthatatlanná tevő burkolatok készítésére. Tökéletes álcázást eddig a metaanyagok fénytörésének frekvenciafüggése miatt nem sikerült megvalósítani. Az eddig létrehozott metaanyagok nem homogének, hanem egymást kiegészítő tulajdonságú apró elemekből állnak, melyek egyike az elektromos, másika a mágneses tulajdonságot, együttesük pedig a negatív törésmutatót biztosítja. Ha az alkotó elemek mérete kisebb a fény hullámhosszánál, akkor optikailag homogén a metaanyag, a fény nem különbözteti meg az összetevőit. A metaanyagoknak az álcázáson kívül az optikai távközlésben, az optikai adattárolásban és az optikai alapú számítógép létrehozásában lehet nagy szerepe.

A Nobel-díj

Forrás: AFP

Az 1896-ban elhunyt svéd feltaláló, Alfred Nobel végakarataként a díjat minden évben halálának évfordulóján, december 10-én adják át: a fizikai, a kémiai, az orvosi és az irodalmi Nobel-díjat Stockholmban, míg a Nobel-békedíjat Oslóban osztják ki ünnepélyes körülmények között. A Nobel-díj 1901 óta a legrangosabb nemzetközi elismerés, amelyet a fizika, a kémia, az orvostudomány és az irodalom területén, illetve a béke érdekében tett kiemelkedő teljesítményükkel vívnak ki a díjazottak.