Lézeres forradalom készül Szegeden

A szegedi székhelyű ELI ALPS Lézeres Kutatóintézet ultragyors nanotudomány csoportja a fizika és a nanotechnológia lenyűgöző területén kutat, ahol a fény erejét kihasználva hihetetlenül apró nanoszerkezeteket hoznak létre. Ezek forradalmasíthatják a jövő technológiáit, új lehetőségeket nyitva az optikai áramkörök, napelemek, röntgen- és anyagvizsgálatok terén.

Az szegedi lézerközpontban tudományos, ipari, orvosi, energiaügyi kérdésekre is keresik a megoldásokat. Forrás: ELI ALPS

Az ELI ALPS (Extreme Light Infrastructure Attosecond Light Pulse Source, magyarul Extrém fényinfrastruktúra és attoszekundumos fényimpulzusforrás) egy egyedülálló, európai összefogással létrehozott kutatási projekt, amelynek célja a lézerek és az anyagok kölcsönhatásának vizsgálata, elképesztően kicsi, nanométeres méret-, illetve femtoszkundumos időskálán (előbbi tíz a mínusz kilencediken méter hosszúságot, utóbbi tíz a mínusz tízenötödiken másodperc időtartamot jelent). A projektben három kutatóközpont jött létre, Magyarországon, Csehországban és Romániában, amelyek közös koordinációval és egyeztetett kutatási stratégiával dolgoznak. A szegedi kutatóintézet egyedi eszközparkja lehetővé teszi a plazmonok precíz manipulálását.

Az ELI ALPS Lézeres Kutatóintézet kivételes eszközparkkal rendelkezik. Fotó: ELI ALPS

Az ELI ALPS a plazmonok erejét kutatja

A fémekben lévő elektronok nem csupán passzívan töltik be vezető szerepüket. Amikor fény éri őket, az elektromágneses tér gyors rezgésére kényszerülnek, apró táncba fogva. Ezeket a rezgéseket nevezzük plazmonoknak, melyek a fény–anyag kölcsönhatás kulcsfontosságú elemei.

A szakemberek a fókuszált ionsugaras berendezésükkel elektronokat gyorsítanak fel, majd elektronmikroszkóppal irányítják őket a mintára. A lézer energiája meghökkentően kicsi, 10×10×10 nanométeres térfogatba koncentrálódik. A becsapódó elektronok másodlagos elektronokat gerjesztenek, amelyekből alapvető információkat nyernek a minta szerkezetéről és felületéről – mondta Budai Judit, az egyetem tudományos munkatársa. A plazmonok kutatásának legígéretes területei jelenleg a következők:

• Ultragyors optikai áramkörök
• Új típusú napelemek
• Hatékonyabb röntgenvizsgálatok
• Precízebb anyagvizsgálatok

Nanoszobrászat galliummal

A kutatók nem csupán megfigyelik a plazmonokat, de igyekeznek felhasználni is azok erejét. Az ionsugaras berendezésnek része egy galliumforrás is, amely cseppfolyós galliumból galliumionokat állít elő.

Elektromos töltéssel rendelkező galliumionokat a mintára fókuszálva hihetetlenül apró, nanoméretű formákat marhatnak ki, amit nemes egyszerűséggel csak nanoszobrászatnak neveznek.

A folyamat elképesztő precizitást igényel, mivel a galliumionok jóval nehezebbek az elektronoknál, és becsapódásukkor porlasztják a mintát, ám ez nanométeres méretekben történik – máskülönben a folyamat ugyanúgy működik, mintha egy ipari marógéppel dolgoznánk. A galliummal optikai rácsokat, metaanyagokat és tetszőleges nanoalakzatokat hoznak létre, amelyek apró építőkövei lehetnek a jövőbeli optikai áramköröknek (ezek elektromos áram helyett modulált fényhullámokkal teszik lehetővé az adatátvitelt, manapság ezt a megoldást használják a leggyakrabban a digitális jelek továbbításához).

Fotolitográfia

De alkalomadtán akár rajzolni is lehet vele, a kutatók elméletileg még a szegedi dóm egyszerűsített, nanoméretűvé kicsinyített másolatát is meg tudnák alkotni. A valóságban azonban általában csak egymástól néhány mikrométer távolságra lévő, harminc-negyven nanométeres vagy annál nagyobb formákat készítenek. 

Ha viszont csak egy nagyon vékony vonalat akarnak létrehozni, akkor akár nyolc nanométer széles ún. rezisztcsíkot is tudnak „rajzolni“ az elektronmikroszkóppal. A reziszt egy fényérzékeny lakkréteg, amelyet az ilyen kisméretű gyártási folyamatokban használnak, például mikroprocesszorok,  félvezető eszközök, áramkörök esetén. 

A kutatók nemrégiben ezt a módszert használták elektródák (olyan elektromos vezető, amelyet az áramkör nem fémes részével való érintkezésre használnak) létrehozására, melyek segítségével megfigyelték, hogy az ultrarövid lézerimpulzusok hatására egyes szigetelő anyagok néhány femtomásodpercre vezetővé válnak. A technológia forradalmasíthatja a nanotechnológia jövőjét.

Röntgenlencsék

A kutatócsoport nemcsak a látható fény tartományában, de a röntgentartományban is tevékenykedik.

Vékony rétegre maratott koncentrikus körök formájában lencséket hoznak létre, amelyek a röntgen hullámhossz tartományában fókuszálják vagy párhuzamosítják a röntgensugarakat. Ez forradalmasíthatja a röntgenvizsgálatokat, lehetővé téve a képalkotás eddig elképzelhetetlen szintű finomságát.

Az ultragyors ellipszométer

A nanoszobrászattal és a röntgenlencsékkel azonban még nem ér véget a praktikus felhasználási lehetőségek sora. Az ELI ALPS Lézeres Kutatóintézet rendelkezésére áll egy ultragyors ellipszométer is, amellyel a kutatók megfigyelhetik, hogyan alakul át a fény energiája elektromos árammá. Budai Judit magyarázata szerint a mintát lézerimpulzusokkal gerjesztve a kutatók nyomon követik az elektronok eloszlásának változását, ami az optikai tulajdonságok változását is okozza.

Ez a technológia kulcsfontosságú mindenütt, ahol a fény energiájának elektromos árammá való átalakítása zajlik, például a napelemek működésének megértésében és hatékonyabbá tételében is jelentős előrelépést hozhat.

Az atomerő-mikroszkóp

Az ionsugaras berendezés és az ultragyors ellipszométer mellett a nanoszobrászok egy harmadik berendezéssel is bűvészkednek, a technológiai arzenál ritka darabja ugyanis továbbá egy ún. speciális atomerő-mikroszkóp (AFM). Az AFM egy hihetetlenül érzékeny eszköz, amellyel a kutatók atomi felbontásban vizsgálhatják a minták felületét.

Rezegtetett tűvel tapogatják le a mintát, lézerrel fókuszálva a tű hegyére, a visszaszórt fényből pedig információkat nyernek a minta szerkezetéről és optikai tulajdonságairól. Ez a technológia lehetővé teszi a felületek eddig elképzelhetetlen szintű vizsgálatát, új ismereteket nyújtva az anyagok tulajdonságairól.

Az itthoni lehetőségeket már az osztrák, a német, a svéd és a horvát kutatók is felfedezték, Budai Judit szerint egyre sűrűbbek a megkeresések. A kutatók lelkesen várják a jövőt, hiszen a plazmonikus struktúrák megértése és használata újabb kísérleteket és alkalmazásokat indukálhat, forradalmasítva a technológiát és a tudományt.