Optikusok elismerése
A 2005. évi fizikai Nobel-díjat
megosztva Roy J. Glauber, John L. Hall és Theodor W. Hänsch kapta. A díj
egyik fele Glaubert illeti "az optikai koherencia kvantumelméletéhez való
hozzájárulásáért", a másik fele együttesen Hallt és Hänschet "a lézeres
precíziós spektroszkópia, ezen belül az optikai frekvenciafésű-technika
kifejlesztéséhez való hozzájárulásukért".
Roy J. Glauber
John L. Hall
Theodor W. Hänsch A fény klasszikus fizikai
és kvantumelméleti jellemzése
1. ábra. A fény hullámjellege egyik legszebb bizonyítékának, a Young-féle kétréses interferencia-kísérletnek a vázlata. Az egy forrásból érkező fény a réseken áthaladva elhajlik, és részei a felfogóernyőn egyesülnek. A részhullámok útkülönbségétől függően erősítés vagy gyengítés következik be az ernyő (fotografikus lemez) különböző helyein, s előhívás után váltakozó világos és sötét csíkokat látunk. A modern berendezésekben az interferenciaképet fotodetektorokkal „tapogatják le” A XIX. század végére általánosan elfogadottá vált az a felfogás, hogy a fény elektromágneses hullám, ugyanakkor ezzel egy időben néhány kísérleti eredmény nem volt értelmezhető ebben a leírásban. Az izzó testek hőmérsékleti sugárzásának frekvenciák szerinti eloszlását nem sikerült a klasszikus fizika keretében megmagyarázni. A megoldás Max Planck érdeme, aki hosszú évek szívós munkája után 1900-ban kénytelen volt feltételezni, hogy a sugárzással hőegyensúlyban lévő anyagi részecskék energiája csak diszkrét h·n kvantumokkal növekedhet. Ezzel sikerült az eloszlás pontos formuláját meghatároznia, és felfedezte a fizika új univerzális állandóját, a h = 6,626·10–27 erg·s elemi hatáskvantumot, vagyis a Planck-állandót. Einstein 1905-ben ennél is tovább ment, és bevezette a fénykvantum-hipotézist, amely szerint „az egy pontból kiinduló fénysugarak szétterjedésénél az energia nem folytonosan egyre nagyobb és nagyobb térrészre oszlik el, hanem véges számú térbeli pontban lokalizált energiakvantumból áll, amelyek úgy mozognak, hogy nem bomlanak részekre, s csak mint egészek nyelődhetnek el vagy keletkezhetnek”. A sugárzás Einstein szerint tehát hn energiájú részecskékből, fotonokból áll, s így megmagyarázhatók a fotoeffektus klasszikus elektrodinamikával nem értelmezhető sajátosságai. A fotoeffektust (fényelektromos hatást, vagyis azt a jelenséget, hogy a fémek felületéből fény hatására elektronok lépnek ki) Hertz fedezte fel 1887-ben, eztán Hallwachs tanulmányozta részletesen. A pozsonyi születésű Philipp Lenard, alias Lénárd Fülöp 1902-ben publikálta a fénnyel keltett elektronok sebességeloszlására vonatkozó kísérleti eredményeit, amelyeket Einstein három év múlva a fotonkoncepció alapján helyesen értelmezett.
2. ábra. A Young-kísérlet ernyőjén észlelt csíkoknak megfelelő intenzitáseloszlás az észlelési pontnak a résektől mért úthosszkülönbsége függvényében. Az interferencia „láthatóságát”, vagyis élességét, kontrasztosságát az L = (Imax–Imin)/(Imax+Imin) mennyiség jellemzi. A vastag vonal esetében ez L=(4–0)/(4+0)=1—>100% , a vékony vonalnál a láthatóság (3–1)/(3+1)=1/2—>50%. Teljesen koherens fény esetében a láthatóság 100% , míg részben koherens (zajos) fény esetében a láthatóság ennél mindig kisebb A kilépő elektronok E energiáját
a hn fotonenergia
határozza meg; E = hn–A,
ahol A a „kilépési munka”. Az áramsűrűség arányos a fém egységnyi felületére
egységnyi idő alatt „becsapódó” fotonok számával, ami ebben az értelmezésben
nem más, mint az alkalmazott fénynyaláb intenzitása.
3. ábra. Az Ádám–Jánossy–Varga-kísérlet (1955) vázlata. A szétválasztott koherens fénynyaláb egyes fotonjai vagy továbbhaladnak, vagy függőleges irányba tükröződnek. A fotonok együttes detektálásának gyakorisága a bejövő fény intenzitásától nem függ, és gyakorlatilag nulla, tehát „a foton nem bomlik részekre.” A jobb felső sarokban jelképezett korrelátorral az <I(t+t)I(t)> szorzatot mérik t = 0 esetben. Brown és Twiss (1956) valamint Rebka és Pound (1957) kísérleteinek is teljesen hasonló az elvi vázlata. Itt az egyik detektorba a másikhoz képest t időkéséssel érkezik a jel, és arra vagyunk kíváncsiak, hogy mi az összefüggés az eredeti jel különböző részei között Az elmélet sikerei ellenére a fény mibenlétére vonatkozó alapvető kérdéseket a kvantum-elektrodinamika és kvantumoptika kidolgozásával nem válaszolták meg maradéktalanul. Erre utal Roy J. Glauber tréfás megjegyzése, amely az 1963-as Les Houches-i nyári iskolán tartott előadása után hangzott el: „Nem tudok semmit a fotonokról, de ha látok egyet, fel fogom ismerni.”
4. ábra. A koherens lézerfény, a termikus sugárzás és a rezonancia-fluoreszcenciából eredő „összenyomott”, „préselt” fény <I(t+t)I(t)> intenzitáskorrelációja a t késleltetési idő függvényében, Glauber elmélete alapján számolva. Az 1-ről induló vonal a koherens lézerfénynek felel meg, a 2-es értékről induló a kaotikus fénynek, ez utóbbi mutatja a „fotoncsomósodást”. A 0-ból induló görbe a „préselt” fluoreszcenciafény intenzitáskorrelációja, amely a „fotonritkulást” bizonyítja. Mindhárom görbéhez jól illeszthetők Arecchi, Gatti és Sona (1966), illetve Kimble, Dagenais és Mandel (1977) mérési eredményei Hall és Hänsch precíziós
spektroszkópiai mérései és a frekvenciafésű
Mindenki látott már szivárványt, amely úgy jön létre, hogy a fehér napfényt alkotó különböző színű sugarak különböző mértékben törnek meg a vízcseppeken, s így más-más irányban tükröződnek vissza a cseppek belső felületéről. Hasonlóképpen, a napfényt egy egyszerű üvegprizmával is különböző színekre, spektrális komponensekre lehet bontani. A mindennapi lézereket ismerve viszont általában az jut az eszünkbe, hogy ezek legtöbbször jól meghatározott színűek: a vonalkódleolvasók és lézeres kulcstartók vörösétől kezdve a lézershow-k zöld színéig sokféle tiszta színű lézerfénnyel találkozhatunk mindennapjainkban is. Az utóbbi évek lézerfejlesztései viszont lehetővé tették azt is, hogy bizonyos laboratóriumi lézerek a Nap sugárzásához hasonló, közel fehér (vagyis nagyon széles színskálát magába foglaló) sugárzást szolgáltassanak. Következésképpen az ilyen típusú lézerek nagyon rövid ideig tartó, femtoszekundumos fényfelvillanásokra, ún. lézerimpulzusokra korlátozódó sugárzást bocsátanak ki. És ezen a ponton rögtön meg is kell emlékeznünk az idei Nobel-díj egy magyar vonatkozásáról: az ilyen ultragyors szilárdtestlézerek fejlesztésében két magyar kutató 1994-es újítása is kulcsszerepet játszott: Szipőcs Róbert (MTA, Szilárdtestfizikai és Optikai Kutatóintézet) és Krausz Ferenc (Kvantumoptikai Max Planck Intézet, Garching) közösen találták fel azokat az attól fogva világszerte (így a Nobel-díjas kutatásokhoz igénybe vett lézerekben is) felhasznált speciális „fáziskorrigáló” tükröket, melyek aztán lehetővé tették extrém rövid, 10 fs-nál is rövidebb lézerimpulzusok előállítását. Ezeket joggal tekinthetjük tehát a Nobel-díjas mérésekhez felhasznált műszerek előfutárainak. A frekvenciafésűk megértéséhez azonban térjünk vissza e lézereknek azon tulajdonságához, hogy (a napfényhez hasonlóan) sok különböző színű komponensből áll össze a sugárzásuk. Ha a már fent említett prizmás kísérletet egy ilyen lézerrel ismételnénk meg, szabad szemmel nem is nagyon látnánk sok különbséget a Nap és az ilyen lézer spektruma között: az ernyőn megjelenne közel a teljes szivárvány. Viszont ha egy nagyon erős nagyító segítségével még közelebbi pillantást vetnénk az ernyőre, azt tapasztalnánk, hogy míg a Nap színképe pár, látszólag rendszertelenül elhelyezkedő sötét vonaltól eltekintve folytonos, addig az ilyen lézerek spektruma sötét tartományokkal elválasztott diszkrét és egyenközű vonalakból áll (5. ábra). Ezeknek a lézereknek ezt a tulajdonságát eddig is ismerték, de nem sikerült kiaknázni, mivel az ernyőn látható fésűszerű vonalrendszer alapesetben fel-alá mozog a lézeroszcillátorbeli instabilitások miatt. Ha valamiképpen sikerülne rögzíteni a teljes fésűt, és ismernénk legalább egy vonal helyét, valamint a vonalak távolságát, akkor egy ilyen fényforrást felhasználhatnánk lenne egy ismeretlen spektrumvonal hullámhosszának (vagy ami ezzel teljesen egyenértékű frekvenciájának) nagyon pontos meghatározásához. Csak annyit kellene tudni, hogy mely két fésűfog között van a mérendő vonal (ez a körülbelüli érték klasszikus spektroszkópiai módszerekkel könnyedén meghatározható), majd a két szomszédos fésűfoghoz viszonyított lebegési frekvencia (amely néhány MHz-es, a rádiófrekvenciás tartományba eső, vagyis nagyon pontosan mérhető jel) meghatározásával már pontosan is meg lehet állapítani a mérendő spektrumvonal helyét.
5. ábra. A napsugárzás és egy frekvenciafésű spektrumának összehasonlítása. Míg a nap fénye folytonos színképű, addig egy megfelelő lézerrel diszkrét, egyenközű vonalakból álló színkép is előállítható, melyet mintegy „frekvenciavonalzó-ként” használva egy ismeretlen spektrumvonal helyzete is nagy pontossággal meghatározható. Az ábra a szemléletesség kedvéért kicsit csalóka is: a lézer általában nemcsak néhány, hanem több millió ilyen referenciavonalat bocsát ki A díjazott kutatókat éppen
ez az alapötlet motiválta: sikerült is azt a visszacsatolási módszert kifejleszteniük,
amellyel a lézert egy rögzített, stabil frekvenciafésű kibocsátására lehet
bírni a fel-alá mozgó helyett. Egy ilyen fix, referenciavonalakat adó fényforrást
talán indokoltabb lenne a frekvenciafésű helyett frekvenciavonalzónak nevezni:
mint ahogy egy hagyományos vonalzóval távolságok mérhetők pontosan, úgy
ezzel az eszközzel tiszta színek, vagyis hullámhosszak, frekvenciák határozhatók
meg. Ezen az alapon aztán el is végeztek pár nagyon pontos mérést, például
egy higanyion egyik optikai elektronátmenetének a frekvenciáját 1 064 721
609 899 143 (±10) Hz-nek mérték. Persze, az optikai spektrumvonalak egzakt
helyét 4-5 évvel ezelőttig is meg tudták állapítani, csakhogy ennél több
nagyságrenddel pontatlanabbul és több tucatszor drágább eszközparkkal.
A Nobel-díjjal jutalmazott munka azonban a világszerte létező 4-5 nagy,
nemzeti szabványügyi laboratórium után egyetemi kutatócsoportok számára
is lehetővé tette az ultrapontos, optikai tartománybeli frekvenciamérést.
Azon túl, hogy az ilyen lézerek az elméletekhez szolgáltattak ezáltal adalékot, sokkal hétköznapibb alkalmazásokhoz is hozzájárulhatnak a közeljövőben. Egy ilyen tipikus terület pedig az időmérés. Minden óra két részből áll ugyanis: egyrészt egy pontosan ismert frekvenciával periodikusan ismétlődő eseményből (pl. a napóránál a Föld tengely körüli forgásából, a kvarcóránál egy kvarckristály oszcillációiból), másrészt egy számlálóból, amely ezeket a periodikusan bekövetkező eseményeket számlálja. Belátható, hogy minél nagyobb frekvenciával ismétlődő eseményeket választunk az óra alapjául, annál pontosabban tudunk időt mérni: egy cézium atomóra (ahol egy mikrohullámú atomi átmenet frekvenciáját számlálják) tízmilliárdszor pontosabbá tehető, mint például egy ingaóra. A látható fény frekvenciája azonban a már ötven éve csúcstechnológiát jelentő atomórákban felhasznált frekvenciáknál is legalább negyvenezerszer nagyobb, ezen az alapon tehát több nagyságrenddel pontosabb óra is építhető, ráadásul lényegesen kompaktabb eszközökkel (6. ábra). Ezzel pedig pédául a globális helymeghatározást (GPS-t) lehet továbbfejleszteni, ahol a térbeli pontosság növelése éppen az időmérés pontosabbá tételével érhető el.
6. ábra. Az időmérés fejlődése. Minél gyakrabban bekövetkező, periodikusan ismétlődő eseményeket választunk az időmérés alapjául, annál pontosabb óránk lesz. A nyilakon szereplő számok az eszközökben használt rezgések frekvenciái közötti nagyságrendi különbséget mutatják A frekvenciafésűkhöz használt lézertípus azonban más, érdekes alkalmazásokban is hozott már újat: Farkas Győző kollégánk (MTA, Szilárdtestfizikai és Optikai Kutatóintézet) 1991-es javaslata alapján Krausz Ferenc csoportjának néhány éve sikerült 250 attoszekundumos (1 as = 10–18 s) röntgenimpulzusokat is előállítania, részben a Hänsch-csoporttal való együttműködés keretében. A Németországban élő fiatal magyar kutató éppen ezekkel az eredményeivel név szerint is szerepel a Nobel-díjról kiadott hivatalos anyagban. Az attoszekundumos impulzusokkal (amelyek jelenleg az ember által kontrollálhatóan előállítható legrövidebb elemi események) szintén nagyon pontos méréseket lehet végezni (ugyan kicsit másképp, mint a frekvenciafésűs módszerrel), s a természetben lejátszódó leggyorsabb folyamatok időbeli lefutásáról nyerhetünk információt. A közeljövőben pedig ilyen kísérletekkel talán választ kaphatunk arra a kérdésre is, hogy miként lehete elég nagy fényerejű, a lézerekhez hasonló, de a röntgentartományban működő fényforrásokat létrehozni, melyekkel az orvosi képalkotási eljárások forradalmasíthatók és a vizsgált személyek sugárterhelése lényegesen csökkenthető. Ilyen eredmények és perspektívák után talán meglepőnek tűnhet, hogy amikor a Nobel-díj kihirdetését követő órákban Theodor W. Hänschet megkérdezték az újságírók, miért nyerhette el a kitüntetést, tömören és szerényen csak így fogalmazott: "Nagyon pontos méréseket végeztem..."
Vissza a tartalomjegyzékhez |
||||