Hírfolyam
„Hasznos eszközök sora épül a kvantumoptikai jelenségekre”
2021. 02. 26.A BME TTK Science Campus online térbe átkerült programján a fényre épülő alkalmazások rejtelmeit mutatta be a Fizikai Intézet kutatója.
„A fény és a különféle anyagok kölcsönhatása során számos érdekes jelenség játszódik le: a fluoreszencia, a kétfotonos abszorpció, az indukált emisszió, valamint a spontán parametrikus lekonverzió: mindezek hasznos eszközeink alapját képezik” – vázolta fel kutatásainak témáit Sarkadi Tamás, a BME TTK Fizikai Intézet Atomfizika Tanszékének egyetemi docense, aki a TTK Science Campus rendezvénysorozatának keretében tartott élő, online ismeretterjesztő előadást a középiskolás diákoknak és érdeklődőknek „Mire használható a kvantumoptika?” címmel. (A közvetítés felvétele megtekinthető a TTK YouTube-csatornáján.)
|
A BME Természettudományi Kara (BME TTK) Science Campus néven évek óta szervez izgalmas, ismeretterjesztő programokat. A tudományos előadások elsősorban a középiskolásoknak szólnak, de minden érdeklődő számára nyilvánosan látogathatók. A rendezvénysorozat a korábban már több ízben megtartott „BME TTK Sciencecamp” természettudományos nyári tábor hagyományait folytatja. A prezentációk alkalmával a TTK neves oktatói és a meghívott vendégek összegzik a modern természettudományok eredményeit, válaszait az emberiség jelenkori problémáira, kihívásaira, egyúttal bemutatják az új trendeket, továbbá foglalkoznak pl. a matematika, a pénzügyi matematika, az adattudomány, a nukleáris technika, a nukleáris medicina, a kvantumtechnológia, a részecskefizika, a kognitív tudományok, a pszichológia vizsgálatainak eredményeivel. Sarkadi Tamás előadását a TTK YouTube-csatornáján követhették végig az érdeklődők, akik az élő közvetítés alatt kérdéseiket is feltehették. |
A TTK kutatója elsőként bemutatta a kvantumoptika egyik legfontosabb alapfogalmát, a fotont. A sokak által fényrészecskének, „golyócskának” elképzelt fogalmat a klasszikus rezgő rendszereket leíró elméletek és a kvantumelméletek közötti kapcsolatokat feltárva árnyalta.
Az elektromágneses állóhullámok kialakulásakor az elektromos és a mágneses tér oszcillál. Az elektromágneses hullám energiája nem növelhető tetszőleges értékre: az energia növekedésének legkisebb egységét nevezzük az elektromágneses hullám kvantumának, azaz fotonnak.
„A foton fogalmának bevezetésével számos új aspektusból vizsgálhatjuk az elektromágneses sugárzásokat, és segítségével alkalmazásokat tudunk megvalósítani.
A már Max Planck által leírt ún. feketetest-sugárzás ismeretében például megtudhatjuk, hogy egy adott hőmérsékletű test milyen hosszúságú sugárzásokat bocsájt ki: a pandémia időszakában gyakran használt érintés nélküli, hőmérsékletet mérő berendezések is erre alapulnak” – illusztrálta egy aktuális példával kutatása tudományos jelentőségét Sarkadi Tamás.
Hozzátette: a foton és az anyagi részecskék közötti kölcsönhatás is számos érdekes jelenséget és hasznos alkalmazást eredményez.
A fluoreszencia kialakulása során egy anyagi rendszer energiája a fotonok hatására gerjesztődik, amikor újra alapállapotba kerül, elektromágneses sugárzást – azaz más fotonokat – bocsát ki. A bankjegyvizsgáló berendezések működnek e jelenségre épülve: a bankjegy fluoreszcens festékrétegét nagy energiájú ultraibolya sugarakkal bombázzák, ami a festékben elnyelődik, majd más színű fotont bocsát ki, ami szemmel is érzékelhető. A LED-es fényforrások egy része is hasonló elven működik.
A fluoreszcencia a mikroszkópiában is jól hasznosítható. Ilyenkor a vizsgálandó minta fluoreszcens tulajdonságait használják ki arra, hogy kontrasztos képeket tudjanak készíteni.
A kétfotonos abszorpció során a gerjesztett anyag két fotont nyel el, majd egyet sugároz ki, amelyet mérni lehet: ez azért praktikus, mert kicsi a valószínűsége, hogy a két foton egyszerre lép kölcsönhatásba az adott anyaggal. A jelenség ezért csak egy rövid ideig tartó intenzív lézerimpulzus fókuszált foltjában valósul meg. Segítségével sokkal nagyobb felbontású képeket – vagy akár háromdimenziós mélységi szkennelést – lehet készíteni, mint a hagyományos optikai módszerekkel.
Az indukált emisszió kialakulásakor nagy energiájú fotonokkal „pumpálják”, azaz sugározzák be az anyagot, aminek hatására az gerjesztett állapotba kerül. Az indukált emisszió jelensége akkor játszódhat le, ha egy ún. indukáló vagy stimuláló foton érkezik, amely arra kényszeríti az anyagot, hogy az gerjesztettből alapállapotba kerüljön. Ennek hatására újabb foton keletkezik: így végső soron a fényt lehet erősíteni. Az 1960-as évek óta széleskörűen használt lézerek e jelenségre épülnek: a szó a LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) betűszóból ered, aminek a jelentése „fény erősítése indukált emissziós sugárzással”.
A spontán parametrikus lekonverzió során nagy energiájú fotonok gerjesztik az anyagot, Amikor a rendszer alapállapotba kerül, két fotont kelt, amelyek – és ez lényeges mozzanat a műszaki felhasználhatóság szempontjából – egyszerre keletkeznek.
A gyakorlatban a jelenség úgy valósítható meg, hogy kék vagy ultraibolya fénnyel világítanak meg egy nemlineáris kristályt, amely infravörös fotonpárokat bocsát ki. A kristályból kilépő ikerfotonok ún. összefonódott kvantumállapotban vannak, azaz a fotonpár egyikén elvégzett mérésből következtetni lehet a kvantumállapotára, például a polarizációs állapotára. Ennek segítségével titkos kommunikációs csatornát lehet építeni két fél között. Az összefonódott fotonpárok elvileg tetszőleges távolságba eljuttathatók: manapság kísérleteznek műholdas továbbítással és titkosító kulcsok is létrehozhatók e technika segítségével.
Sarkadi Tamás és kollégái számos kutatást végeznek a kvantumoptikai jelenségekkel kapcsolatban, fényforrásokat és egyéb eszközöket terveznek a BME Fizikai Intézet Atomfizika Tanszékének optikai laborjában, ahol a hallgatókat is bevonnak a tudományos indíttatású feladatokba.
A Science Campus rendezvénysorozat következő előadásában Molnár Lajos, a BME TTK Matematikai Intézet, Analízis Tanszék egyetemi tanára „Fura függvények” címmel tart online bemutatót 2021. március 19-én 16:00 órától a TTK YouTube-csatornáján.
– HA –
Fotó: Sarkadi Tamás előadása