A Wigner Fizikai Kutatóközpont munkatársai fontos mérföldkövet értek el az ultragyors optoelektronikai eszközök létrehozása felé vezető úton. A szilárd anyagokban található elektronok a közeg számos tulajdonságát meghatározzák, például azt is, hogy az adott anyag átlátszó-e, illetve hogy vezeti-e az áramot vagy szigetelő tulajdonsággal bír. Áram keltése során a vezető közegek elektronjai az atomokkal is ütköznek, ezáltal lelassulnak, az elvesztett energia pedig hő formájában jelenik meg a környezetben. Ez a veszteség és az elektronok viszonylag lassú reakciója azonban egyenlőre komoly akadályát képezi az eddigieknél gyorsabb és hatékonyabb mikroelektronikai áramkörök létrehozásának.
Egy ultrarövid ideig tartó lézerfény-felvillanás (piros görbe) az üveget vezetővé teszi és a töltések szétválasztását hozza létre. Az elektronokat a kék gömbök jelképezik. Az arany elektródákon mérhető áram iránya a lézer elektromos terével befolyásolható. (Forrás: Wigner Fizikai Kutatóközpont)
A Wigner Fizikai Kutatóközpont munkatársai budapesti kísérleteikkel jelentős lépést tettek a jelenleginél gyorsabb és hatékonyabb jelfeldolgozás felé vezető úton. Ehhez egy nemrég felfedezett effektust használtak fel, aminek köszönhetően a lézerfény rövid időre vezetővé tehet különböző szigetelő közegeket (pl. üveget is). Ez a változás azonban visszafordítható, hiszen amint a másodperc milliomodrészének milliárdodrészéig tartó lézerfény-felvillanás (ún. lézerimpulzus) áthalad az anyagon, a közeg ismét szigetelővé válik. De még ez a rövid időtartam is elég ahhoz, hogy az elektronok a lézer hatására mozgásba jöjjenek és mérhető áram keletkezzen. A Dombi Péter által vezetett Ultragyors Nanooptika Kutatócsoport munkatársai ezt a hatást egy minden eddiginél kisebb lézerrel tudták kimutatni, másodpercenként nyolcvanmilliószor, ami több mint százszorosan múlja felül az eddigi legjobb eredményeket. Munkájukat a világ egyik vezető optikai és fotonikai folyóiratában, az Optica-ban jelentették meg, valamint az Amerikai Optikai Társulat is kiemelten foglalkozott az eredménnyel.
“Nagyszerű dolog a laborban látni, hogy miként válnak a szigetelők vezetővé egy lézerimpulzus hatására mindössze néhány femtomásodperc alatt. Ezt a hatást azonban eddig csak nagyméretű, bonyolult lézerrendszerekkel sikerült kimutatni. Nekünk egy kis, kompakt lézerrel is sikerült ez, ami nagyon fontos lépés a gyakorlati alkalmazások felé,” – mondta Dombi Péter. Az így keltett áram tulajdonságaiban azonban eltéréseket is tapasztaltak, amit egy elméleti modell segítségével tudtak megmagyarázni. –„A modellünk segítségével arra a következtetésre jutottunk, hogy habár a közeg rövid időre vezetővé válik, az elektronok mégsem a fémes anyagoknál megszokott vezetési sávban mozognak. Ez is az észlelt hatás ultragyors természetét mutatja meg.” mondta el Kiss Gellért Zsolt, a kutatócsoport egyetlen elméleti fizikus tagja.
“Az ultragyors áramkontroll elve a következő. A beeső lézerfény elektromos terének lefutása más és más lehet. Némely esetben nagyon aszimmetrikus alakokat is kapunk. Ha az anyag elektronjainak a válasza a beérkező lézer terére elég gyors, akkor ez az aszimmetria áram keltésében nyilvánul meg,” mondta el Václav Hanus, a budapesti csoport kutatója. “A modern lézertechnológia lehetővé teszi, hogy a lézerimpulzusok elektromos terét is kontrolláljuk, ezzel pedig a keltett áram irányát is befolyásolni tudjuk.” – tette hozzá Hanus.
A minta elhelyezkedése a lézeres kísérleti berendezésben. A zöld mintatartóba fogott üvegbe egy parabolatükör ultrarövid lézerimpulzusokat fókuszál. (Forrás: Wigner Fizikai Kutatóközpont)
Ez a szigetelő-vezető-szigetelő átalakulás további érdekes kísérleteket tesz lehetővé, hiszen ez a folyamat mostantól kompakt, könnyen hozzáférhető lézerekkel is beindítható. Az ultragyors optikai technológia szempontjából is jelentős előrelépés ez az eredmény. “A munkánkat most még kisebb, nanoméretű optikai eszközök tervezésével és előállításával folytatjuk azért, hogy ezt az érdekes alapjelenséget még kompaktabb fényforrásokkal demonstrálhassuk. Ez a következő lépés az ultragyors jelfeldolgozás gyakorlati alkalmazásai felé.” – mondta el Dombi Péter.
A Wigner Kutatóközpont kísérleteinél felhasznált minták előállítását a szegedi ELI-ALPS Lézerközpont és az Energiatudományi Kutatóközpont munkatársai, illetve részben német kutatók végezték.
Václav Hanus az Ultragyors Nanooptika Kutatócsoport budapesti laboratóriumában. (Forrás: Kovács Márton, ELKH)
Az Optica cikke itt érhető el: www.osapublishing.org/optica
