Műegyetemi fizikusok cikke a Nature Communications folyóiratban

Forradalmasíthatja a fotonikai kutatásokat a BME kutatói által felfedezett jelenség.

A BME TTK Fizikai Intézetének munkatársaiból, valamint észt, japán és holland tudósokból áll az a kutatócsoport, amely a közelmúltban publikálta felfedezését a rangos Nature Communications folyóiratban. A csoport magyar tagjai Kézsmárki István, Szaller Dávid, Bordács Sándor és Kocsis Vilmos.

„Az általunk felfedezett hatást olyan ablakokkal lehetne összehasonlítani, amelyeken át kívülről nem láthatunk be a szobába, de belülről kiláthatunk" – ecsetelte a kutatócsoport vezetője, Kézsmárki István egyetemi docens, aki jelenleg az Augsburgi Egyetem vendégprofesszora. „Ha viszont a fordítottját szeretnénk elérni, tehát kívülről belátni, meg kell fordítanunk az üveget. A mi általunk vizsgált anyagok hasonló tulajdonságúak, az egyik irányból átlátszók, a másikból elnyelik a fényt. A különbség azonban az – és éppen ez az újdonság –, hogy a két irányt mágneses vagy elektromos térrel lehet megcserélni. Az üveghasonlathoz visszatérve: olyan ez, mintha télen, amikor azt szeretnénk, hogy a napfény bejöjjön és a meleg ne menjen ki, mágnesezéssel egyszerűen felcserélnénk az átlátszó és az átlátszatlan oldalt, és tennénk ezt anélkül, hogy megfordítanánk az ablakot.”

A Kézsmárki István és kollégái által tanulmányozott ún. multiferroikus, azaz egyszerre ferroelektromos és ferromágneses kristályok kutatása az elmúlt években vett új lendületet a szobahőmérsékleten is multiferroikus tulajdonsággal bíró anyagok felfedezésével. Ezek az anyagok – egyebek mellett – különleges fényelnyelő-fényáteresztő képességgel rendelkeznek. Hétköznapi anyagokban gyakran találkozunk az optikai dikroizmusnak hívott jelenséggel. Ez azt jelenti, hogy a fényelnyelődés mértéke két különböző polarizációjú fénynyaláb esetén eltér, de a jelenségben nem játszik szerepet a fény terjedésének az iránya. A multiferroikus kristályok esetében a kutatók kimutatták, hogy a fényelnyelődés mértéke nemcsak a polarizációtól, hanem a fény terjedési irányától is függ. „Megfigyeléseinkre az optikai kvadrokroizmus kifejezést alkottuk meg, amely a téma kutatói számára egyértelműen leírja az új jelenséget – magyarázta Kézsmárki István. „A kvadro előtag a foton négyféle állapotára utal, a kétféle polarizációra és a két terjedési irányra. A multiferroikus anyagok mind a négy foton állapotot eltérő színűnek látják.”

A felfedezést rendkívül sokféle területen alkalmazhatják. A jövőbeni felhasználás elsőként az optikai adatátvitelben a legvalószínűbb. Az optikai szálak hálózatában az információ fényként vagy elektromágneses hullámként terjed. Ha a forrás és a vevő messze található egymástól, erősítőket kell betenni közéjük. Az erősítő ugyan felerősíti a jelet, de annak egy része visszaverődik, és akár a forrásig is visszajuthat, így az egész hálózat működőképességét akadályozhatja. Ennek kiküszöbölésére ún. Faraday polarizációs forgatóeszközöket, más néven optikai izolátorokat alkalmaznak, amelyekkel kiszűrik a jelet megzavaró visszaverődő fényt. A kutatócsoport által leírt hatással rendelkező anyagok, optikai egyenirányítóként használva kiválthatják a jelenleg használt optikai izolátorokat.  Ezek az anyagok ugyanis el tudnák nyelni az erősítőkről visszaverődött fényt. Másik előnyük, hogy könnyen felcserélhetővé válna az átlátszó és a nem átlátszó oldal, tehát adott esetben helyet cserélhetne az adó és a vevő.

A multiferroikus anyagok azonban nemcsak optikai eszközök fejlesztéséhez lennének alkalmasak, hanem újfajta digitális memóriákat is lehetne készíteni belőlük. A jelenlegi merevlemezek a felületükön tárolják az információt, amelyet az írófej áramának mágneses tere ír a lemezbe. Ez energiaigényes folyamat, hiszen az áram melegíti is az eszközt. A másik lehetőség a pendrive-memória, ahol kizárólag elektromos úton írják az információt. A multiferroikus anyagok egyszerre mágneses és elektromos tulajdonságúak, ezért mágneses állapotukat meg lehet változtatni elektromos térrel, és fordítva. „Több szabadságunk van, több információt lehet tárolni, de ami még fontosabb: a mágneses információt nem elektromos árammal, hanem elektromos térrel írnánk az anyagba” – hangsúlyozta a kutató. „Ezáltal jóval kevesebb energia veszne el a rendszerben és kevésbé fűtené fel a gépet, amely a további miniatürizálás lehetőségével kecsegtet.”

A multiferroikus anyagokat használhatják a kemo- és bioszenzorikában is, a kis mennyiségű fehérjék kimutatása területén. Ha ezen anyagok felületére sejteket, vírusokat, fehérjéket viszünk fel, ezek specifikusan aktiválhatják az optikai egyenirányító funkciót, amely mérhető jelet generálhat. (A szenzorikai fejlesztések egyébként nem jelentenek újdonságot a BME fizikus kutatóinak: korábban a bme.hu is beszámolt az optikai maláriadiagnózis-kutatásokról, amelyeket Kézsmárki István vezetett. Jelenleg az eszköz klinikai tesztelése zajlik.)

Az utóbbi évtizedben jelentős mértékben fejlődött és nagyon ígéretes a fizika magnetoelektromos memóriákkal és optikai funkciókkal foglalkozó területe. „Nagy szükség van a nemzetközi együttműködésre, mert itthon gyakran hiányzik a megfelelő kutatási infrastruktúra” – hangsúlyozta Kézsmárki István. „Most japán és észt kutatókkal dolgoztunk együtt. A Tokio-i Egyetemen töltött posztdoktori évek óta folytatunk közös kutatásokat Tokura Yoshinori professzorral, a cikk egyik társszerzőjével, akit a Nobel-díjra esélyesek között tartanak számon. A jelenlegi kutatás ötlete tőlünk származott, de a japán fél gyártja az anyagokat a vizsgálatainkhoz. Tokura professzor a magnetoelektromos memória lehetőségét kutatja ezekben az anyagokban, az én szakterületem pedig inkább a multiferroikus anyagok optikai vizsgálata.”

Infravörös spektrométer

Kézsmárki István jelenleg az Augsburgi Egyetem vendégprofesszora, ott is hasonló területet kutat, mint a Műegyetemen megkezdett irányvonal. Tudóscsoportja az európai élmezőnybe tartozik. „Kint kedvezőbbek a feltételek a kísérleti kutatásokhoz, megvannak a megfelelő kísérleti eszközök, így házon belül valósíthatjuk meg az ötleteinket. Ezzel együtt nem szeretnék véglegesen kint maradni – a BME Fizikai Intézetének kiváló kutatói légköre és a tehetséges diákok mindig komoly inspirációt jelentettek. Pályázok az MTA Lendület programjára és bízom benne, hogy hamarosan otthon folytathatom a kutatásaimat” – összegezte Kézsmárki István.

-HA-