Ultragyors

Ultranagy sebességű molekuláris és nanooptikai kapcsolók kutatása

Lézerrel csiholtak áramot magyar kutatók

2021.05.04.

Az ELKH Wigner Fizikai Kutatóközpont kutatói fontos mérföldkőhöz érkeztek az ultragyors optoelektronikai eszközök létrehozása felé vezető úton. A Dombi Péter vezette Ultragyors Nanooptika Kutatócsoport munkatársai minden eddiginél kisebb lézer fényével alakították vezetővé az eredetileg szigetelőként működő üveget. Az ezt bemutató publikációt a világ egyik vezető optikai és fotonikai folyóiratában, az Opticában jelentették meg. Az Amerikai Optikai Társulat szintén kiemelt helyen számolt be az eredményről.

A szilárd anyagokban található elektronok az adott közeg számos tulajdonságát meghatározzák, például hogy az anyag átlátszó-e, illetve hogy vezeti-e az áramot, vagy éppen szigetelő tulajdonsággal bír. Áram keltése során azonban a vezető közegek elektronjai az atomokkal is ütköznek, ezáltal lelassulnak, és az elvesztett energia hő formájában jelenik meg a környezetben. Ez a veszteség, illetve az elektronok viszonylag lassú reakciója jelentős akadályát képezi az eddigieknél gyorsabb és hatékonyabb mikroelektronikai áramkörök létrehozásának.

A Wigner Fizikai Kutatóközpont munkatársai a budapesti kísérleteik révén jelentős lépést tettek a jelenleginél gyorsabb és hatékonyabb jelfeldolgozás felé vezető úton. Ehhez egy nemrégiben felfedezett effektust használtak fel, amelynek köszönhetően a lézerfény rövid időre vezetővé tehet különböző szigetelő tulajdonságú közegeket (így például az üveget is). Ez a változás azonban visszafordítható, hiszen amint a másodperc milliomodrészének a milliárdodrészéig tartó lézerfény-felvillanás (az úgynevezett lézerimpulzus) áthaladt az anyagon, a közeg ismét szigetelő lesz. De még ez a rövid időtartam is elég ahhoz, hogy az elektronok a lézer hatására mozgásba jöjjenek, és ennek következtében mérhető áram keletkezzen. Ráadásul a Dombi Péter vezette 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.

„Nagyszerű dolog a laborban látni, hogy miként válnak a szigetelő anyagok vezetővé egy lézerimpulzus hatására, mindössze néhány femtomásodperc alatt, amely a másodperc kvadrilliomodrésze. Ezt a hatást azonban eddig csak nagyméretű, bonyolult lézerrendszerekkel sikerült kimutatni. Nekünk viszont egy 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 a kutatók, amit egy elméleti modellel 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 elméleti fizikus tagja.

„Az ultragyors áramkontroll elve a következő: A beeső lézerfény elektromos terének lefutása más és más lehet, ezért némely esetben nagyon aszimmetrikus alakokat kapunk. Ha az anyag elektronjainak a beérkező lézer terére adott válasza elég gyors, akkor ez az aszimmetria áramot kelt” – magyarázta Václav Hanus, a budapesti csoport kutatója.

Hozzátette:

„A modern lézertechnológia lehetővé teszi, hogy a lézerimpulzusok elektromos terét is kontrolláljuk, ezzel pedig a keltett áram irányát is befolyásolni tudjuk”.

Ez a szigetelő–vezető–szigetelő átalakulás további érdekes kísérleteket tesz lehetővé, hiszen a folyamat mostantól kompakt, könnyen hozzáférhető lézerekkel is beindítható. A femtoszekundumos optikai technológia szempontjából is jelentős előrelépés ez. – „A munkánkat most még kisebb, nanoméretű optikai eszközök tervezésével és előállításával folytatjuk azért, hogy ezt az érdekes alapjelenséget még kompaktabb fényforrásokkal is demonstrálhassuk. Ez a következő lépés az ultragyors jelfeldolgozás gyakorlati alkalmazásai felé”

– mondta Dombi Péter.

A Wigner Kutatóközpont kísérleteinél felhasznált minták előállítását a szegedi ELI-ALPS Lézerközpont és az ELKH Energiatudományi Kutatóközpont munkatársai, illetve részben német kutatók végezték.

wigner.hu