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.

Egy ultrarövid ideig tartó lézerfény-felvillanás (piros görbe) vezetővé teszi az üveget, és a töltések szétválasztását eredményezi. Az elektronokat a kék gömbök jelképezik. Az aranyelektródákon mérhető áram iránya a lézer elektromos terének segítségével befolyásolható. (Forrás: Wigner Fizikai Kutatóközpont)

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”.

A minta elhelyezkedése a lézeres kísérleti berendezésben. A zöld mintatartóba fogott üvegre egy parabolatükör ultrarövid lézerimpulzusokat fókuszál. (Forrás: Wigner Fizikai Kutatóközpont)

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.

Václav Hanus az Ultragyors Nanooptika Kutatócsoport budapesti laboratóriumában.