Nobel-díjas kísérletek

Az Atomfizika Tanszék Optika laboratóriumának látogatása során olyan kísérleteket, mérési módszereket ismerhettek meg, amelyek során fény segítségével vizsgáljuk az anyag szerkezetének titkait, megérthetitek néhány korszerű fényforrás működését, és végül bepillantást nyerhettek a kvantumkommunkiáció kvantumoptikai módszereibe.

Az anyag szerkezetének mélyebb megismerése, a mikrovilág fizikájának feltárása alig több mint száz éve vette kezdetét merőben új módszerek alkalmazásával. Míg a klasszikus fizika törvényeiről közvetlen tapasztalatok útján is meggyőződhetünk, addig az atomok felépítése, vagy a kvantummechanika szabályai csak igen közvetett megfigyelések, mérések segítségével ismerhető meg. A mikrovilág közvetett feltérképezésében nagy segítségünkre van a fény. Bohr atommodelljét (Nobel-díj: 1922) az tette sikeressé, hogy képes volt magyarázni a hidrogénatom által kibocsájtott fény színképében fellelhető vonalakat. A laborlátogatás során mi is kimérjük a hidrogéngáz színképvonalait. A színképvonal elemzés számos új elem felfedezését tette lehetővé, például a kisülési lámpákban máig használatos nemesgázok felfedezését Rayleigh számára (Nobel-díj: 1904) Szintén egy optikai mérés, az izzó testek által kisugárzott elektromágneses sugárzás tanulmányozása vezetett el Planck (Nobel-díj: 1918) hőmérsékleti sugárzás elméletének kidolgozásához. Az ún. fotoelektromos jelenség megértéséhez pedig Einstein elméleti munkásságára volt szükség (Nobel-díj: 1921).

A laborlátogatás során mi is mérni fogjuk a hőmérsékleti sugárzás spektrumát. Megvizsgálunk továbbá néhány különleges fényforrást, és higanygőzlámpa segítségével megismételjük a kvantumfizika egyik alapvető kísérletét, a fotoelektromos jelenség vizsgálatát . Megértjük, milyen körülmények szükségesek ahhoz, hogy lézerfényt állítsunk elő (Basov,Prokhorov, Townes Nobel díj: 1964), és milyen tulajdonságai vannak a lézerfénynek. Megtudhatjuk továbbá, miért volt óriási jelentősége a kék világító dióda kifejlesztésének, amiért Akasaki, Amano és Nakamura japán kutatók 2014-ben Nobel díjat kaptak. Végül a kvantumoptika (2005-ös és 2012-es Nobel-díjak) és a kvantumkommunikáció rejtelmeibe nyújtunk bepillantást.

Már az ókori görögök is azt feltételezték, hogy az anyag atomokból épül fel. Ezt a hipotézist a 20. század elején számos kísérlettel sikerült bizonyítani, azonban ahhoz, hogy képet tudjunk készíteni egy anyag felületén lévő atomokról egészen 1981-ig kellett várni, amikor Gerd Binnig és Heinrich Rohrer megépítették az első pásztázó alagútmikroszkópot, amiért öt évvel később Nobel-díjjal jutalmazták őket.

Az alagútmikroszkóp működése az elektronok hullámtermészetének egy speciális következményén alapul, miszerint két egymáshoz közel vitt fémdarab között akkor is folyik áram, ha azok nem érnek össze. Ezt az áramot kvantummechanikai alagútáramnak hívják, melynek érdekes tulajdonsága, hogy a két fém távolságától nagyon érzékenyen függ: ha csak egy fél atom-atom távolsággal csökkentjük a rés szélességét, akkor az áram tízszeresére nő. Ha egy ollóval elvágott fém tűt közel viszünk egy fém felülethez, akkor az alagútáram jelentős része azon egyetlen atomon keresztül folyik, mely a legközelebb van a felülethez. A mérés közben a minta felületével párhuzamosan pásztázunk a tűvel, miközben egy szabályozó áramkört használva úgy mozgatjuk a tűt a felületre merőleges irányban, hogy mindig állandó legyen a mért alagútáram, azaz a tű közel azonos távolságban mozogjon a minta felületéhez képest. A tű mozgását számítógéppel rögzítve akár atomi felbontású kép készíthető a felületről.

A mérés során megmutatjuk, hogy hogyan lehet egy teljesen saját fejlesztésű alagútmikroszkópot építeni, majd önállóan kísérletezhettek egy alagútmikroszkóphoz hasonló elrendezéssel, mellyel ugyan nem lehet háromdimenzióban pásztázni, de megmérhetitek az elképzelhető legvékonyabb nanovezeték vezetőképességét, melyben az áram egyetlen atomon keresztül folyik.

A mérés részletes leírását itt találjátok meg.

A félvezetőipar találmányai a hétköznapi életben mindenhol körül vesznek minket, gondoljunk csak a számítógépekre, mobiltelefonokra, autókra, vagy akár egy egyszerű számológépre. Mindegyikben megtalálhatóak például tranzisztorok, a modern elektronika alapelemei. A tranzisztorok kifejlesztéséért John Bardeen, Walter Brattain, és William Shockley 1956-ban Nobel-díjat kapott. Egy másik Nobel-díjas félvezetőipari találmány (2009 - William S. Boyle, George E. Smith) a CCD képérzékelő szenzor, amely igazi áttörést hozott a digitális képalkotásban, és ma is nélkülözhetetlen alkotóeleme a modern kameráknak. 

A Semilabnál, Magyarország egyik legnagyobb fejlesztőcégénél a félvezetőiparba gyártunk mérőberendezéseket. Cégünknél nap mint nap találkozunk ezekkel a Nobel-díjas félvezetőipari eszközökkel, akár a gyártóikkal való kapcsolatunkon keresztül, akár úgy, hogy mi magunk is beépítjük őket az általunk készített berendezésekbe. A nálunk tett látogatás során jobban megismerkedhettek a képérzékelő szenzorokkal és modern alkalmazásaikkal. Olyan gépekkel találkozhattok, melyekben a félvezetőipari minták minőségének vizsgálatához ilyen szenzorokat alkalmazva alkotunk képeket a minták felületéről és annak hibáiról, illetve megmutatjuk azt is, hogy ezekkel hogyan járulunk hozzá mi is a képalkotó szenzorok ma is aktívan folyó fejlesztéséhez. 

Pierre-Gilles de Gennes francia fizikus 1991-ben kapott Nobel-díjat polimerekben és folyadékkristályokban lezajló rendeződési folyamatok leírásáért. A folyadékkristály-kijelzők óriási technikai jelentősége már a Nobel-díj odaítélésekor is nyilvánvaló volt, bár akkor még távol állt a a technikai fejlettség a napjaink okostelefonjaiban vagy televízióiban használt nagy felbontású LCD kijelzőktől. (Az LCD betűszó az angol liquid crystal display kezdőbetűiből áll össze.) A folyadékkristály-cellákhoz nagyon hasonlóan működik az a műszer, amit a BME Fizikai Intézet kutatói a maláriafertőzés nagyon érzékeny kimutatására fejlesztettek ki. A maláriafertőzést okozó paraziták a vörösvértestekből hosszúkás, ún. hemozoin kristályokat hoznak létre, melyek mágneses viselkedésük miatt külső mágneses térben egy irányba rendezhetők - ezt használja ki az egyedülálló érzékenységű diagnosztikai műszer, mellyel kollégáink többek között egy, 2015-ben Nobel-díjjal is jutalmazott, maláriagyógyszer hatását vizsgálják.

A mérés első felében kísérletezve megismerhetitek, hogyan működik egy folyadékkristály-kijelző, majd kipróbálhatjátok, hogyan lehet egy mágnes és polarizált fény segítségével a maláriafertőzést jelző hemozoin kristályokat kimutatni. (A mérésen természetesen nem fertőzött vért, hanem szintetikus kristályokat használunk.)

A mérés részletes leírását itt találjátok meg.

A Franck-Hertz-kísérlet nagy mérföldkövet jelentett a fizikában, hiszen először sikerült közvetlen kísérleti módszerrel igazolni, hogy az atomok elektronszerkezete kvantált, ahogy azt Bohr néhány évvel korábban elméletileg megjósolta.

A kísérletet James Franck és Gustav Hertz végezte el 1914-ben. Egy higanygőzzel töltött légritkított csőben gyorsítottak elektronokat, és azt vizsgálták, hogy az elektronok miként ütköznek a higanyatomokkal. Azt találták, hogy az elektronok általában „lepattannak” az atomokról, vagyis rugalmasan ütköznek, az elektronok nem veszítik el energiájukat. Ha azonban a gyorsított elektronok energiáját egy meghatározott értékre állítjuk be, az ütközés rugalmatlanná válik. Az elektron ilyenkor energiát veszít, miközben gerjeszti az atomot. Mivel ez a gerjesztés csak meghatározott energiájú elektronokkal történő ütközés során figyelhető meg, igazolható, hogy az atom csak adott energiaegységekben, energiakvantumokban képes energiát felvenni, vagy leadni.

A Franck-Hertz kísérlet tehát azon korszakalkotó kísérletek egyike, melyek a fizikusokat közelebb vitték a kvantumfizika megismeréséhez. A két kutató munkáját 1925-ben Nobel-díjjal jutalmazták. A laborgyakorlat során ezt a kísérletet Te is elvégezheted.

Gábor Dénes (1900-1979) magyar születésű villamosmérnök és fizikus fejében 1947-ben fogant meg a holográfia alapötlete: a tárgyról érkező fény nem halad át egy lencsén, amely leképezné a fényérzékeny filmre (mint az a hagyományos fényképezésben történik), hanem közvetlenül rászóródik a fényérzékeny lemezre, egy másik, ún. referencia fényhullámmal együtt. Amikor a tárgyról érkező fényhullám és a referencia fényhullám összeadódik, a fényérzékeny lemezen interferenciakép keletkezik, amely a tárgyról érkezett hullámra vonatkozó teljes, háromdimenziós információt rögzíti. A hologramfelvétel készítéséhez koherens, egyszínű fényt kiadó fényforrásra van szükség (pl. a napfény vagy az izzólámpa fénye nem alkalmas erre). Nem csoda, hogy a holográfia tudományterülete csak az 1960-as évek elejétől, a lézer feltalálásával indult igazán látványos fejlődésnek. Az a néhány év azonban, ami ekkor következett – ekkor bontakoztak ki olyan, ma is virágzó kutatási területek, mint a holografikus optikai elemek, a holografikus interferometria, a számítógépes holográfia, a reflexiós holográfia – elég volt, hogy meggyőzze a Svéd Tudományos Akadémia bizottságát: 1971-ben Gábor Dénesnek ítélték a fizikai Nobel-díjat. Azóta a holográfia még számos jelentős területtel bővült, mint pl. a holografikus adattárolás vagy a holografikus biztonságtechnika.

A látványos, háromdimenziós kép visszaadásán kívül különösen izgalmas tulajdonsága a hologramnak, hogy az információ másképp oszlik el rajta, mint a hagyományos információtároló eszközökön (pl. a fényképen, a DVD-n vagy a számítógép mágneses merevlemezén). A hologramot kis darabokra törve is minden darabban a teljes tárgyinformáció megőrződik.

A mérés során megismerkedhettek a holográfia fortélyaival, és mindenki készíthet egy hologramot magának.

A mérés részletes leírását itt találjátok meg.

1932-ben James Chadwick felfedezte a neutront, amiért Nobel-díjjal jutalmazták. Nem sokkal később Enrico Fermi rájött, hogy neutronokkal besugározva elemeket azok más elemekké alakulnak át. Szintén Nobel-díjjal jutalmazták Otto Hahn felfedezését (1938), amely a neutronok létezésére és Fermi felfedezésére építve megmutatta, hogy neutronokkal nagy tömegszámú atommagokat el is lehet hasítani. Ezután nagyon rövid idő telt el és Enrico Fermi vezetésével – Szilárd Leó és mások közreműködésével – létrehozták az első szabályozott láncreakciót. Ma, néhány évtized elteltével a Magyarországon előállított villamos energia mintegy 50%-a láncreakcióból származik. A láncreakciót, az abban keletkező neutronokat mind kutatási és oktatási, mind energetikai célokra használják szerte a világon.

A mérés során először a BME működő Oktatóreaktorában teszünk egy látogatást, ahol megismerkedünk különböző – a reaktorhoz, magátalakulásokhoz, sugárzások detektálásához kapcsolódó - kísérleti technikákkal. Egy néhány milligramm tömegű minta besugárzásával megpróbáljuk kideríteni, milyen elemekből áll az, amit besugároztunk. Ezután a Paksi Atomerőmű primerkörének viselkedését bemutató szimulátor előtt ülve mindenkinek lehetősége lesz az erőművet irányítani: teljesítményét virtuálisan csökkenteni, növeli, sőt, üzemzavart előidézni is. Megpróbáljuk megérteni, mi is kell ahhoz, hogy egy atomerőmű biztonságosan működjön.

A reaktorba csak 16 éven felüliek léphetnek be, fényképes igazolvánnyal. (A látgatás napján betöltött 16. év számít.) A beléptetés hosszadalmas, ezért a mérés kezdete előtt negyed órával kérünk megjelenni a reaktornál.

Albert Abraham Michelson volt az első amerikai Nobel-díjas tudós (1907). Ezt az elismerést precíziós optikai kísérleteivel vívta ki: a róla elnevezett interferométer segítségével korábban elérhetetlen, 10nm-es elmozdulások mérése vált lehetségessé, ezzel forradalmasítva a metrológiát és a spektroszkópiát. Michelson interferométerén alapult az Edward Morley-val közösen elvégzett kísérlete is, ami komoly ellenérvként szolgált az éter (a fény terjedését biztosító közeg) létezésével szemben. Ez a kísérlet fontos megerősítésként szolgált Einsten speciális relativitáselméletéhez. A Michelson-interferométerek a mai napig meghatározó eszközei a precíziós spektroszkópiának (Fourier transzormációs spektrométerek), és a metrológiában is elévülhetetlen a szerepük (távolságmérés visszavezetése atomórával történő időmérésre). A Michelson-féle interforemetrikus elrendezés később a gravitációs hullámok felfedezésében is fontos szerepet játszott (2017-es Nobel-díj).  

A mérés során összeállíthattok egy Michelson-féle interferométert, megmérhetitek különböző színű lézerek hullámhosszát, és ismerkedhettek a koherencia fogalmával. Végül piezoelektromos mozgatókkal a fény hullámhosszánál kisebb elmozdulásokat vizsgálhattok, és összeállíthattok egy Fourier transzformációs spektrométert. 

A kvantumtechnológia és kvantuminformatika napjaink egyik legforradalmibb területe, amely alapjaiban reformálhatja meg a számítástechnikát, az adatbiztonságot és a nagy pontosságú érzékelést. A  qubitek (kvantumbitek) állapotának mikrohullámú vezérlése az Isidor Rabi által felfedezett rezonanciamódszeren alapul (1944-es Nobel-díj), míg az egyedi kvantumrendszerek megfigyeléséért és kísérleti manipulációjáért Serge Haroche és David J. Wineland kapott fizikai Nobel-díjat 2012-ben. Szilárdtestfizikai rendszerekben ezen elvek megvalósításának egyik legígéretesebb platformja a gyémántkristályban található atomi ponthiba, a nitrogén-vakancia (NV) centrum, amely szobahőmérsékleten is képes megőrizni kvantumos tulajdonságait.

A kvantuminformáció manipulálását és kiolvasását a rendszer egyedi tulajdonságai teszik lehetővé. Az NV-centrum zöld lézerfény hatására piros fényt (fotolumineszcenciát) bocsát ki, amelynek intenzitása függ a rendszer spinállapotától. A mikrohullámú sugárzás képes megváltoztatni ezt a spinállapotot, amit a kibocsátott fényintenzitás csökkenéséből optikailag detektálhatunk. Ezt a módszert hívjuk optikailag detektált mágneses rezonanciának (röviden ODMR). Míg a folyamatos hullámú (CW) mérésnél a mikrohullámot állandóan alkalmazzuk a rezonanciafrekvencia megtalálására, az impulzusüzemű ODMR során precíz, nanoszekundumos lézer- és mikrohullám-impulzusok sorozatát használjuk. Ez lehetővé teszi, hogy állandósult állapotok vizsgálata helyett a spin időbeli dinamikáját is tanulmányozzuk célzott irányítás mellett.

A foglalkozás során lépésről lépésre fedezhetitek fel a qubit-vezérlés gyakorlati működését. Először megfigyeljük az NV-centrumok zöld lézer hatására fellépő piros fotolumineszcenciáját. Ezt követően meggyőződünk róla, hogy ez a fotolumineszcencia spinfüggő, és a folyamatos hullámú (CW ODMR) spektroszkópiával feltérképezzük a spinállapotok közötti rezonanciát. Végül az impulzus üzemmóddal megfigyeljük a spin-dinamikát: a mikrohullámú impulzusok hosszának finom változtatásával Rabi-oszcillációt idézünk elő, demonstrálva a qubit állapotának koherens forgatását és a kvantumszámítógépek logikai kapuműveleteit.

Heike Kamerlingh Onnes holland fizikus miután 1911-ben megépítette hélium cseppfolyósító berendezését, elsőként végezhetett kísérleteket az abszolút nulla fokhoz igazán közeli hőmérsékleteken. Alacsony hőmérsékleti mérései pár hónapon belül nagyon meghökkentő felfedezéshez vezettek: azt találta, hogy egy higanyszál ellenállása 4,19 K hőmérséklet alatt zérusra csökken. Késöbb kiderült, hogy számos anyag (pl. ólom, ón, alumínium) tökéletes vezetőként, úgynevezett szupvavezetőként viselkedik megfelelően alacsony hőmérsékleten. Kammerling Onnes munkáját már két évvel később, 1913-ban Nobel-díjjal jutalmazták. Ezen korai felfedetés óta a szupravezetés folyamatosan a modern fizika kiemelt témái közé tartozik. Ha csak a legelismertebb eredményeket nézzük, 1972-ben, 73-ban, 87-ben és 2003-ban osztottak ki Nobel-díjakat szupravezetéssel kapcsolatos elméleti vagy kísérleti munkákért. Ezek közül kiemelkedő technikai jelentőségű a magashőmérsékletű szupravezetőkért kiosztott Nobel-díj (1987), hiszen ekkor vált lehetővé, hogy a folyékony héliumnál lényegesen olcsóbb folyékony nitrogénben is elérhető legyen a szupravezetés.

A szupravezetést az élet számos területén alkalmazzák a mágnesesen lebegtetett vonatoktól az orvosi MRI készülékek szupravezető mágneséig. Már régóta szupravezető áramkörök alkotják az egyik legérzékenyebb mágneses tér szenzort (SQUID), és napjainkban a szupravezető nanoszerkezetek bizonyulnak a legalkalmasabbnak arra, hogy kvantumszámítógépeket építsünk.

A mérés során magashőmérsékletű szupravezetőkkel kísérletezhettek, kimérhetitek, ahogy egy szupravezető drót ellenállása nullává válik, és vizsgálhattok szupravezető gyűrűt, melyben külső feszültségforrás nélkül, csillapítatlanul kering az áram. A mágneses tér méréséhez egy másik Nobel-díjas felfedezést (2007), az ún. óriás mágneses ellenállás szenzort használhatjátok. Folyékony nitrogénben (kb -200 Celsius-fokon) is fogunk mérni, így bepillantást nyerhettek az alacsony hőmérsékletű mérések világába, valamint kipróbálhatjátok, hogyan kell modern műszerekkel, számítógépes mérésvezérléssel automatikusan adatot gyűjteni.

A mérés részletes leírását itt találjátok meg.