Tiltott sáv A fény fizikája és az optikai rendszerek határai A fény életünk fontos része. Fokozza a növények fejlődését, minden élet tőle függ, és lehetővé teszi napi tevékenységeink garmadát, amit természetesnek tartunk. Ám 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, egyúttal másik dimenzióban bővítik ismereteinket - kezdte előadását a Mindentudás Egyetemén Kroó Norbert fizikus, akadémikus. A fény valójában elektromágneses sugárzás. Elektromágneses sugárzás töltött részecskék gyorsulásakor keletkezik, és hullámhossztartománya a gamma-sugaraktól a rádióhullámokig széles tartományt fed le. Minden szegmense a világból szerzett ismereteink jelentős részének forrása. Ennek a széles tartománynak 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 is a látható és ennek közeli szomszédságában lévő területre esik. A fény azonban sokkal több is számunkra, mint a környező világ megismerésének eszköze. Fosszilis energiaforrásaink tulajdonképpen az évmilliók folyamán tárolt napfény energiáját szabadítják fel. De a földi élet ma is a napfény kihasználására épül. Ennek egyik tipikus megnyilvánulása a fotoszintézis, a növényi életfolyamatok alapja, de mi, emberek is nap mint nap találkozunk a napsugarak hasznos (és káros) hatásaival. Mi is valójában a fény? - Samuel Johnson szerint mindnyájan tudjuk, hogy mi a fény, de nehezen tudjuk meghatározni. A geometriai optika a fényt sugarak formájában írja le, amelyek visszaverődnek a felületekről, elhajlanak, ha más tulajdonságú (törésmutatójú) anyagba lépnek. E jelenségek alapján tükrök és lencsék hozhatók létre, majd ezen elemek 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: azonos hullámhosszú fény két résen áthaladva fényes és sötét csíkokból álló interferenciaképet eredményez, 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, amelynek magyarázatáért (1905) Albert Einstein Nobel-díjat kapott. Az alapmegfigyelés: 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, nem pedig intenzitásától függ. Ez csak a fény részecsketulajdonsága alapján érthető meg. A továbbiakban a jövőről szólnék, egy szívemhez - és természetesen szakmai munkámhoz - kötődő példán bemutatva, mi várható. Mondandóm a miniatürizációhoz kötődik, és abból a szándékból indul ki, hogy a fényt az információs és kommunikációs technológiák szolgálatába állítsuk. Ez sok területen sikerült. Gondoljanak csak a fényvezető optikai szálakon továbbított információra, a litográfiára vagy a félvezető lézerekre, de azt az alapvető törvényt, hogy az alkalmazott fény hullámhosszánál jóval kisebb méretek optikai módszerekkel történő felbontása lehetetlen, nem sikerült megkerülni. Most megkísérlem bemutatni, hogy ez mégis lehetséges. A nanotechnológia célja atomi vagy molekuláris méretű alkatrészekből álló eszközök előállítása. Persze ez csak fokozatosan, lépésekben elérhető cél lehet. A mikrométeres mérettartomány gépei azonban már bevonultak a gyakorlatba. Egy újabb fejlemény pedig rövid időn belül olyan paradigmaváltást eredményezhet, mint a szállításban a hajóról a repülőre vagy az elektronikában az elektroncsőről a tranzisztorra való áttérés. Emlékeztetnék arra, hogy a félvezető anyagokból azért lehetett tranzisztorokat, diódákat, fényemittáló diódákat és lézereket létrehozni, mert van bennük olyan anyagfüggő energiasáv, amelyben nem tartózkodhatnak elektronok, ezért tiltott sávnak nevezzük. Szennyezésekkel a tiltott sávban olyan energianívókat hozhatunk létre, amelyek 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, 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 hullámhoszszának nagyságrendjébe kell esnie. Látható fény esetében ez azt jelenti, hogy mintegy 0,5ľ körüli értéknél kisebb méretű elemeket nem lehet létrehozni, amelyek sokkal nagyobbak, mint a jelenlegi elektronikus elemek méretei. Az ilyen szerkezeteket, mivel a természetben nem léteznek, metaszerkezeteknek nevezzük, de még találóbb a fotonikus kristály elnevezés. Rácshibákkal egyébként itt is lehet a tiltott sávban szennyezési nívókat létrehozni. A nem létezésre vonatkozó állítás azonban 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 az említett, a fény hullámhosszához igazodó felbontóképesség-határ miatt, amit az optikában diffrakciós limitnek nevezünk. Felmerül a kérdés, hogy lehet-e ezen a problémán segíteni. A válasz: igen, de ehhez „újfajta fényt” kell segítségül hívni. Ehhez – legalábbis egy időre – el kell felejtenünk, amit az optikáról tanultunk, vagyis mindazt, amit az eddigiekben tárgyaltunk. Ha egy tárgyat megvilágítunk, a róla visszaverődő fény segítségével figyelhetjük meg a szemünkkel, mikroszkópon vagy távcsövön keresztül, mégpedig a tárgytól távolabb. Ezért a visszaverődő fény terét távoli térnek nevezzük. E térben a fényhullámok elektromos és mágneses tere (elektromágneses tér!) azonos nagyságú, és ezek kölcsönösen függenek 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 ebben a fényben interferencia sem lép fel. Van remény tehát arra, hogy az ilyen fény kihasználására 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 úgynevezett felületi plazmonok azonban új lehetőségeket nyitottak. Mik is ezek a felületi plazmonok? Fény segítségével – egy kis ügyeskedéssel – a fém felületén lévő úgynevezett vezetési elektronokat hullámszerű mozgásra kényszeríthetjük, amelyben sűrűsödések és ritkulások váltják egymást. Ezek hullámhossza azonban rövidebb a gerjesztő fény levegőben megfigyelt hullámhosszánál. A plazmonok energiája és hullámhossza (impulzusa) közötti kapcsolatot diszpenzió-összefüggésnek nevezzük. A felületi plazmonok hatékony gerjesztése akkor valósul meg, ha a két hullámhossz vagy annak reciproka, az impulzus 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 azonos lehet 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 beeső fény a prizma-levegő felületről visszaverődik, 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. Hegyes fémtű hatol be a lézerfénnyel, például üvegprizmán keresztül a vékony fémréteg levegővel határos oldalán gerjesztett felületi plazmonok közeli terébe, amikor a tű és a fémfelület között a térrel arányos áram folyhat. A tűt a felület felett úgy mozgatjuk, hogy az attól való távolsága állandó legyen, egy úgynevezett 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. Ilyen mikroszkópokkal atomi léptékű technológiák (nanotechnológa) is megvalósíthatók, például atomok tologatásával egy felületen tetszőleges rajzolatokat kialakítva. Térjünk most vissza a felületi plazmonok diszperziós összefüggéséhez, és vizsgáljuk azt az esetet, amikor a fény fotonjai és a felületi plazmonok közti csatolást optikai rács segítségével valósítottuk meg! Található olyan rácsparaméter, amelynél két (szimmetrikus és antiszimmetrikus) modus valósul meg ugyanazon hullámhosszal, de eltérő energiával, vagyis kialakul egy tiltott engergiasáv, amelyben a fény nem terjedhet ugyanúgy, mint a fotonikus kristály esetében. Most azonban a hullámhossz által determinált méretkorlátozás nélkül. Megvalósítható tehát ezen új típusú fény segítségével fotonokra minden, a felvezetők esetén megismert eszköz (tranzisztor) optikai analogonja, akár nanométeres struktúrák formájában is. Mivel azonban a fény gyorsabb az elektronok mozgásánál, ezen eszközök sebessége is nagyobb lesz elektronikus megfelelőiknél. Néhány éve T. Ebbesen norvég fizikus érdekes megfigyelést tett. Vékony aranyfóliába 200 nm-es lyukakat fúrt egymástól 200 nm-es távolságra, és mintegy egymillió 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 fényszálon (akár néhány nm) terjedhetnek a felületi plazmonok, ami akár arra is ad lehetőséget, hogy az elektronikus csipek elemeit összekötő huzalok is felületiplazmon-kapcsolatot teremtsenek az elektronikus csip egyes áramköri elemei között. Az elmondottak alapján gondolatban felépíthetünk olyan optikai csipeket, amelyekben az elektronikus csipekben az elektronok mozgása által megvalósuló folyamatokat a felületi plazmonok mozgása váltja fel. A tranzisztor helyett „fénytranzisztor” az alapelem. Az összekötő vezetékek felületiplazmon-hullámvezetőként működnek. A fényvezető szálon, amelynek átmérője mikrométer nagyságrendű, az érkező és a feldolgozandó információt hordozó fényt felületi plazmonokká alakítva plazmonlencsék segítségével fokuszálhatjuk le a nanométeres tartományba. Tehát a különböző elemek összerakásával többek között tetszőleges információs és kommunikációs technológiai feladatokat ellátó optikai csipeket lehet összeállítani, amelyek véleményem szerint 10–20 éven belül elektronikus megfelelőik versenytársai lehetnek. 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 mikroszkopikus 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. A fenti szöveg a Mindentudás Egyetemének 6. szemesztere záró előadásának június 6-án elhangzott rövidített változata. Az előadások teljes szövegét a hozzászólásokkal és a vitával együtt a www.mindentudas.hu weblapon találják meg az érdeklődők. A Mindentudás Egyeteme a 7. szemeszterrel szeptemberben jelentkezik.