Varró Sándor - Dombi Péter

Optikusok elismerése
A 2005. évi fizikai Nobel-díj


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". 
Úgy gondoljuk, valószínűleg nem véletlen, hogy 2005-ben, a fizika évében a fizikai Nobel-díjat olyan alapvető eredményekért ítélték oda, amelyek a fény kvantumos és hullámjellegével kapcsolatosak. Tavaly ünnepeltük ugyanis Albert Einstein korszakalkotó publikációinak 100 évvel ezelőtti megjelenését, amelyek közül az elsőben éppen a fénykvantumok (fotonok) hipotézisét fejtette ki, s ezzel elindította a fény kvantumelméletének kialakulását. Cikkünkben a 2005. évi díjazottak főbb eredményeit ismertetjük, ehhez azonban először szükségünk lesz a fényre vonatkozó alapvető tények összefoglalására. 

Roy J. Glauber 

John L. Hall 

Theodor W. Hänsch

A fény klasszikus fizikai és kvantumelméleti jellemzése
A fény – hasonlóan a rádióhullámokhoz, a hősugárzáshoz vagy a röntgen- és gamma-sugarakhoz – elektromágneses rezgés, amely általában különböző n (nü) rezgésszámú (frekvenciájú) tisztán periodikus komponensekből tehető össze, s ezek mindegyike az anyagmentes térben azonos c = 299792458 m/s sebességgel úgy terjed, hogy a rezgések merőlegesek a terjedési irányra. Egy adott frekvenciájú (színű) fénykomponens egyben térbeli periodikus jelenség is, vagyis hullám, ezt a  l (lambda) hullámhosszal jellemezzük: l=c/n. A látható fény hullámhossza a 400–800 nm (1 nanométer = 10–9 méter) tartományban van, frekvenciája 3,75×1014 Hz és 7,50×1014 Hz közötti érték. Összehasonlításképpen megemlítjük, hogy a mobiltelefonoknál használt rádióhullámok frekvenciája és a számítógép-rocesszorok alapfrekvenciája (1,8–3,5 GHz, 1 GHz = 109 Hz) ennél körülbelül 100 000-szer kisebb, s ennek megfelelően a hullámhosszuk 10–17 cm nagyságrendű. A fénysugárzás az elektromágneses térnek a kibocsátó forrásoktól (elektromos töltésektől) önállósuló része, amely tetszés szerinti messzeségbe terjedhet energiát, impulzust vagy éppen kódolt jeleket, információt hordozva. A legjellemzőbb hullámtulajdonság a fényelhajlás és az interferencia. Ez utóbbi talán legszebb példáját Thomas Young vizsgálta már 1801-ben az 1. ábrán vázolt kísérleti berendezéssel. A század közepe felé James Clerk Maxwell klasszikus elektrodinamikájával egy olyan egységes leírás született, amely egyben a teljes elektromágneses sugárzási spektrum pontos matematikai hullámelméletét szolgáltatja, beleértve a Heinrich Hertz által az 1880-as években felfedezett és kísérletileg részletesen tanulmányozott mesterséges rádióhullámokat is. 

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.
Roy J. Glauber és az optikai koherencia kvantumelmélete
A sugárzási tér állapotára vonatkozó információkat elsősorban a detektorban kiváltott fotoelektronok közvetítésével kapjuk, amelyek áramát erősítés után az adatfeldolgozó egységbe (ma már számítógépbe) továbbítjuk. A különböző tér- és időbeli pontokban bekövetkezett fotonabszorpciókat felerősített elektromos jelekkel követjük nyomon, és az ezek közötti korrelációk alapján határozhatjuk meg a vizsgált fény tulajdonságait. Az ilyen típusú korrelációk egységes kvantumelméleti leírását először Roy J. Glauber közölte 1963-ban, s ezzel döntő szerepet játszott a fizika egy új ága, a kvantumoptika kialakulásában. 
A valóságos fényforrások mindig „zajosak”, hiszen a kibocsátott fény általában egymástól független sugárzó centrumok (atomok, molekulák) elemi hullámvonulataiból áll össze; erre jó példa az izzó testek hősugárzása, ezt kaotikus sugárzásnak is nevezik. A lézerekben a sugárzó centrumok összecsatolódnak, és ennek eredményeképpen rendezett sugárzás keletkezik, amelynek a koherenciatulajdonságai sokkal jobbak, mint mondjuk egy lámpaizzó fényéé. Ha a Young-féle kísérletben a réseket egyre távolítjuk egymástól, akkor az interferenciakép fokozatosan elmosódik, a láthatóság nullára csökken. Ez természetes módon meghatározza a fény terjedési irányára merőleges Sc koherenciafelületet, amelyről a részhullámok még jól látható interferenciát produkálnak. Hasonlóképpen, ha egy fénynyalábot kettéosztunk, és a részeket t késleltetési idő után egyesítjük (például a Michelson-interferométerben), akkor ha a késleltetés nagyobb egy bizonyos tc koherenciaidőnél, megint csak rossz minőségű, elmosódott interferenciát kapunk. A koherenciaidőt a fény terjedési sebességével megszorozva kapjuk az lc = c·tc koherenciahosszat, amelynél nagyobb útkülönbségek esetén nem kapható jól látható interferencia. Például egy kripton gázkisülési csőben a koherenciahossz lc ~ 30 cm, s ennek megfelelően tc = lc / c ~ 10–9 s = 1 ns. Lézerek esetében a koherenciahossz több méter is lehet. Látjuk tehát, hogy az lc·Sc koherenciatérfogatban elhelyezett detektorokkal a sugárzási tér különböző téridőpontokbeli korrelációit kimérhetjük, az adott térfogaton kívülről származó jelek találkozásakor azonban az interferencia mintázata nem lehet kellően kontrasztos, a jelet elfedi a zaj, a fény paramétereinek véletlenszerű ingadozásai, fluktuációi következtében (2. ábra). Belátható, hogy a sugárzás fluktuációja szoros kapcsolatban van az intenzitás <I(t+ t)I(t)> autokorrelációs függvényével, amely végül is a fotonszám korrelációját írja le, ugyanis az intenzitás a fotonsűrűséggel arányos a kvantumelmélet szerint. A < > csúcsos zárójel klasszikus vagy kvantummechanikai átlagképzést jelöl. Ez a mennyiség annak az valószínűségét méri, hogy a t időpontban detektáltunk egy fotont, és a  t + t időpontban is detektálunk egy következő fotont. Az ilyen típusú korrelációs és koincidenciakísérletek történetében úttörő jelentőségű volt Ádám András, Jánossy Lajos és Varga Péter 1955-ben publikált koincidenciakísérlete (3. ábra), amelyben először használtak fotoelektron-sokszorozót, s ezzel jelentősen megnövelték a detektálás érzékenységét. Nemsokára R. H. Brown és R. Q. Twiss (1956), valamint G. A. Rebka és R. V. Pound (1957) észlelt időben korrelált fotonokat, vagyis fotoncsomósodást (4. ábra). Eredményeiket 1966-ban F. T. Arecchi és munkatársai is megerősítették. Ezeknek a méréseknek a számszerű leírásához valójában nincs szükség kvantumelméletre, viszont a részecskekép alapján szemléletesebben interpretálhatók. A fotonritkulást (lásd a 4. ábra hullámos görbéjét) azonban nem lehet kvantumelmélet nélkül értelmezni, amint azt H. J. Kimble és L. Mandel 1976-ban részletes kvantumoptikai számolással megmutatták.

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 
A bevezetőben már említett frekvenciafésűk a femtoszekundumos (1 fs = 10–15 s) fényimpulzusokat kibocsátó lézerekre épülnek, cikkünk második felében tehát főleg ezekre az összefüggésekre fogunk pontosabban rávilágítani, nem megfeledkezve a szép számban rendelkezésre álló kortárs magyar vonatkozásokról sem.

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.
A módszert felhasználva meg is történt az első jelentős alkalmazás, amelynek során Theodor Hänsch csoportja azt vizsgálta meg, hogy valóban állandók-e a fizikai állandók. Már eddig is létezett néhány olyan kozmológiai elmélet, amely feltételezte, hogy a konstansok lassan ugyan, de időben változhatnak – ezeket a teóriákat kellene hát valamiképpen tesztelni. Vannak olyan spektrumvonalak (pl. a hidrogénspektroszkópiában), amelyek egyszerű kapcsolatban állnak fizikai állandókkal (pl. az elektron töltésével és a Planck-állandóval). A spektrumvonal helyének precíz meghatározásával tehát tulajdonképpen ezek a konstansok is extrém pontosan mérhetők. Nincs is más teendő, mint a nemrég kifejlesztett ultrapontos módszerekkel néhány évenként kimérni ezen vonalak helyét, amit meg is tettek. Aggodalomra azonban mindeddig semmi ok: a négyéves időközzel megismételt méréspárban úgy találták, hogy az észlelt elmozdulás még a nagyon alacsony mérési hibahatáron is belül van, tehát a konstansok jelenleg állandónak tűnnek.

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..."


Természet Világa, 137. évfolyam, 4. szám, 2006. április
http://www.termeszetvilaga.hu/ 
http://www.chemonet.hu/TermVil/ 


Vissza a tartalomjegyzékhez