Nobelova nagrada za fiziko

Nobelova nagrada za fiziko za leto 2009

Janez Strnad

Charles Kuen Kao je bil rojen leta 1933 v ©anghaju. Leta 1948 se je družina preselila v Hong Kong, kjer je obiskoval srednjo šolo. Nato je na današnji greenwiški univerzi študiral elektrotehniko in si diplomo pridobil na londonski univerzi. Leta 1965 je postal doktor elektrotehnike na Imperialnem koledžu v Londonu. Ob tem je delal v raziskovalnem laboratoriju družbe Standard Telephones and Cables. Leta 1879 je prešel na kitajsko univerzo v Hong Kongu in na njej ustanovil elektrotehniški oddelek. Leta 1974 je odšel v Združene države Amerike in tam delal pri raznih industrijskih družbah ter ob tem deloval kot profesor na univerzi Yale. Med letoma 1976 in 1996 je bil podkancler univerze v Hong Kongu. Poleg Nobelove nagrade je dobil veliko nagrad in medalj: osem ameriških, štiri angleške, po dve japonski in hongkonški ter švedsko in italijansko. Upokojil se je leta 1996. Živi med Združenimi državami Amerike in Hong Kongom ter ima angleško in ameriško državljanstvo.

Vir: www.nobelprize.org. Polovico letošnje Nobelove nagrade za fiziko je dobil Charles K. Kao za ≈prelomne dosežke s prenosom svetlobe po vlaknih za optiËne komunikacije«, drugo polovico pa sta si razdelila Willard S. Boyle in George E. Smith za ≈izum slikovnega polprevodniškega vezja CCD«.

Prva polovica nagrade zadeva prenos sporoËil. Najbolj domaËe nam je to pri telefoniranju ali poslušanju radia. Zvok naložimo na osnovne valove z veliko frekvenco. Nemoteni osnovni valovi ne prenašajo sporoËil. Zato spreminjamo izdatnost srednjih ali frekvenco ultrakratkih osnovnih valov.

Vsaka možnost za prenos, kanal, pri telefoniranju ali na radiu zahteva frekvenËni pas s širino od 10 tisoË do 200 tisoË nihajev na sekundo. Podobno je pri televiziji, le da ta kanal zahteva širši pas 20 milijonov nihajev na sekundo. Iz tega izhaja, da so za prenos pripravnejši valovi z veËjo frekvenco. Postopno so od valov z valovno dolžino veË sto metrov in frekvenco veË milijonov nihajev na sekundo prešli na centimetrske valove s frekvenco nekaj deset milijard nihajev na sekundo. Tako kratke valove zrak razmeroma slabo prevaja, zato jih vodijo po valovnih vodnikih. To so kovinske cevi s pravokotnim ali krožnim presekom, ki so na notranji strani prevleËene s kovino, ki dobro prevaja elektriko. Po takem vodniku potuje valovanje z eno od lastnih frekvenc, ki so znaËilne za obliko in velikost preseka. InfrardeËa in vidna svetloba imata manjšo valovno dolžino in veËjo frekvenco kot radijski valovi. Ali bi ju bilo mogoËe uporabiti za prenos sporoËil? V 19. stoletju so ugotovili, da je svetlobo mogoËe voditi po vodnih curkih in steklenih palicah. Po gosti prozorni snovi svetloba potuje poËasneje kot po zraku, snov ima namreË veËji lomni koliËnik kot zrak. Pri prehodu iz goste snovi v zrak se svetloba ne lomi, ampak se popolnoma odbije po odbojnem zakonu, Ëe je vpadni kot, to je kot med vpadnim žarkom in pravokotnico na mejo, veËji od mejnega kota. Zaradi popolnega odboja svetloba ostane v vodnem curku ali stekleni palici, Ëe nista preveË ukrivljena. Leta 1931 so zaËeli na veliko izdelovati steklena vlakna. ©est let zatem se je pojavila zamisel o steklenih vlaknih z oblogo iz stekla z manjšim lomnim koliËnikom. UresniËili so jo leta 1951. V teh vlaknih ne pride do popolnega odboja na površju, ampak se valovanje postopno odbija v oblogi s spremenljivim lomnim koliËnikom. Spoznali so, da lahko vlakno

Willard Sterling Boyle je bil rojen leta 1924 v Amherstu v Kanadi. Do štirinajstega leta ga je pouËevala mati, nato je konËal koledž v Montrealu. Leta 1943 je vstopil v Kraljevo kanadsko mornarico. Po vojni je študiral na univerzi McGill in na njej leta 1947 diplomiral, leta 1948 magistriral in leta 1950 doktoriral iz fizike. Nato je eno leto delal v kanadskem laboratoriju in dve leti pouËeval na koledžu. Leta 1953 je postal sodelavec Bellovih laboratorijev na Murraz Hillu, kjer je razvijal laserje in polprevodnike. Med letoma 1962 in 1964 je sodeloval pri naËrtu Apollo, v okviru katerega je izbral mesta pristankov na Luni. Upokojil se je leta 1973. Ima kanadsko in ameriško državljan-

stvo. Vir: www.nobelprize.org. George Elwood Smith je bil rojen leta 1930 v White Plainsu v Združenih državah Amerike. Med vojno je služil v ameriški nornarici. Po vojni je študiral na pensilvanski univerzi in leta 1959 doktoriral iz fizike na Ëikaški univerzi. Do leta 1986 je bil zaposlen v Bellovih laboratorijih. Vodil je raziskovanja laserjev in polprevodnikov. Skupaj z Boylom sta dobila Franklinovo medaljo in nagrado Inštituta elektriËnih in elektronskih inženirjev. Skupaj z njim sta v prostem Ëasu veliko jadrala. Po upokojitvi je z ženo

objadral svet. Vir: www.nobelprize.org.

vodi valovanje z eno samo lastno frekvenco ali z veË takimi frekvencami. Charles K. Kao, ki je delal pri telefonski in kabelski družbi v angleškem Harlowu, je leta 1966 na znanstvenem sestanku v Londonu opisal ≈optiËni valovni vodnik«, ki lahko prenese toliko podatkov ≈kot 200 televizijskih kanalov ali veË kot 200 tisoË telefonskih kanalov«. Svoja stališËa je zastopal zavzeto in prepriËljivo. Sredi tega leta sta on in teoretik George Hockham v Ëlanku obravnavala svetlobne vodnike iz prozornih izolatorjev. Podrobno sta obdelala njihove lastnosti ter v ≈vlaknih s plastno zgradbo steklaste snovi« prepoznala novo možnost za prenos sporoËil. Napovedala sta, da bo z njimi mogoËe prenašati veliko sporoËil in da bodo poceni. Ugotovila sta, da vodnik slabo prepušËa svetlobo zaradi neËistoË, predvsem ionov železa. Preden bodo vlakna postala uporabna za prenos sporoËil, bodo morali izdelati veliko bolj prepustna vlakna. 20 metrov dolg odsek bo moral prepustiti vsaj 90 odstotkov vpadnega energijskega toka. Tedanja vlakna pa so ga prepustila le en odstotek. Omenimo, da prepusti 40 metrov dolg vodnik 0,9 krat 0,9 = 0,81 energijskega toka, Ëe ga prepusti 20-metrski 0,9. Kao in trije novi sodelavci so v Ëlanku leta 1968 in v dveh Ëlankih naslednjega leta poroËali o oslabitvi energijskega toka v steklenih vlaknih in vlaknih iz drugih snovi. Ugotovili so, da je za svetlobne vodnike najpripravnejši nekristalni kremen. Pozneje so zaËeli uporabljati kremenova vlakna z malenkost manjšim lomnim koliËnikom ob površju, na primer vlakna s primesjo titana ali pozneje germanija v jedru in s Ëistim kremenom ob površju. Danes veliko uporabljajo vlakna, ki prenašajo valovanje z eno samo lastno frekvenco. Najprej so prenašali svetlobo v vidnem obmoËju. Potem so ugotovili, da je ugodneje prenašati infrardeËo svetlobo. Najugodnejše je ≈okno« okoli valovne dolžine 1,525 tisoËin

TipiËno vlakno, ki prenaša eno samo lastno frekvenco, ima jedro s premerom 8 tisoËin milimetra, oblogo s spremenljivim lomnim koliËnikom s premerom 115 tisoËin milimetra in dvoplastno primarno zašËito s premeroma 250 tisoËin milimetra in 400 tisoËin milimetra. Jedro optiËnega vlakna, ki prenaša veË lastnih frekvenc, je debelejše.

Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_ fiber#Optical_fiber_communication. milimetra. Prepustnost, ki je bila v zaËetku še slaba, so nenehno izboljševali. Sedanja vlakna, ki prenašajo eno samo lastno frekvenco, prepustijo 99,7 odstotka energijskega toka na kilometer pri navedeni valovni dolžini. OptiËna vlakna za veË lastnih frekvenc prepušËajo signal malenkost slabše. Po enem vlaknu lahko poteka hkrati veË sto tisoË telefonskih pogovorov, Ëe signale na poseben naËin obdelajo. Leta 1988 so položili prvi Ëezatlantski optiËni kabel, zdaj jih deluje že veË. S takšnimi kabli je povezan ves svet. Brez njih tudi ne bi bilo svetovnega spleta. Hiter razvoj ne bi bil mogoË, Ëe ne bi vzporedno razvili drugih naprav. V šestdesetih letih prejšnjega stoletja so se pojavili laserji, ki so sevali zelo ozek, zelo enobarven in zelo moËan curek svetlobe. Charles Townsend, Nikolaj G. Basov in Aleksander M. Prohorov so leta 1964 dobili Nobelovo nagrado za ≈temeljno delo na podroËju kvantne elektronike, ki je omogoËilo izdelavo oscilatorjev in ojaËevalnikov na naËelu maserja in laserja«. Prvi polprevodniški laserji so delovali v sunkih, in to le, Ëe so jih hladili. Pomanjkljivostim so se izognili s heterostrukturami, v katerih se lastnosti plasti v laserju spreminjajo s krajem. Herbert Krömer in Žores Alferov sta leta 2000 dobila polovico Nobelove nagrade za ≈razvoj polprevodniških heterostruktur, ki jih uporabljajo v hitri in optiËni elektroniki«. Druga polovica nagrade je povezana z naËinom, kako dobimo sliko in kaj z njo poËnemo. Elektronski del Bellovih laboratorijev sta sestavljala oddelek za polprevodniške naprave in oddelek za vse druge naprave, tudi magnetne. Prvega je vodil Boyle in v njem je bil Smith naËelnik odseka. V skrbi, da bi prvi oddelek ne zaostal za drugim, sta se Boyle in Smith jeseni leta 1969 sestala in v manj kot uri skovala naËrt, ki je pripeljal do slikovne naprave. Sprva sta želela izdelati elektronsko razliËico magnetnega raËunalniškega pomnilnika. Kmalu pa so ugotovili, da je z napravo mogoËe dobiti slike v elektronski obliki in da je v tem neprekosljiva. Uporabila sta tehniko MOS, v kateri polprevodniške naprave sestavljajo kovina, oksid in polprevodnik. Osnovni sestavni del je silicijeva plošËica - Ëip. PlošËico prevleËejo z zelo tanko plastjo silicijevega dioksida kot izolatorja. Nanjo naparijo aluminijeve elektrode, pod njo pa je najprej tanka plast polprevodnika n, to je silicija z dodatkom sledi petvalentnega fosforja, in pod to polprevodnik p, to je silicij z dodatkom sledi trivalentnega bora. V polprevodniku n prevladujejo negativni elektroni in se po njem gibljejo skoraj kot prosti. V polprevodniku p prevladujejo pozitivne vrzeli in se po njem gibljejo skoraj kot proste. Vrzel je primanjkljaj elektrona v množici energijskih stanj, ki so vsa zasedena z elektroni.

3 4

5

Poenostavljen presek skozi polprevodniško slikovno napravo: aluminijeve elektrode 1, 0,12 tisoËine milimetra debela plast silicijevega dioksida 2, 20 do 30 tisoËin milimetra debela plast polprevodnika n z elektroni 3, obmoËje polprevodnika p z vrzelmi 4, osnova plošËice 5. Izdelava polprevodniške naprave je precej zahtevna.

Risba po predlogi: Janja Benedik. Ta sestava delov in elektriËnih napetosti med njimi tvori množico majhnih slikovnih elementov - pikslov -, urejenih v kvadratno mrežo. Najbolje si je predstavljati plošËico na tabli pred seboj. Aluminijeve elektrode ∑ vrata - teËejo v vodoravni smeri in doloËajo vrste elementov. V navpiËni smeri teËejo zapore silicijevega dioksida, doloËajo stolpce - kanale - in prepreËujejo, da bi naboj iz kanala odtekel v sosednji kanal na levi ali desni. Za doloËen Ëas na plošËico skozi zbiralno leËo preslikamo predmet. Obroki energije v svetlobi - fotoni - v elementu v plasti polprevodnika n sprostijo elektrone, ki so bili doslej vezani. »im veËja gostota svetlobnega toka zadene element, tem veË se v njem nabere elektronov in tem veËji je njihov naboj. Ko se sprosti elektron, nastane tudi vrzel, ki pa odtava na obmoËje p in ne sodeluje v nadaljnji igri. Pojav spominja na fotoefekt, pri katerem kratkovalovna svetloba izbije elektrone iz kovine. V polprevodniku pa ima pojav svoje posebnosti. Za sprostitev elektrona je potrebna v povpreËju veliko manjša energija kot pri fotoefektu na površju kovine. V fotocelici, ki izkorišËa fotoefekt na tanki kovinski katodi v vakuumu, je potrebnih v povpreËju vsaj pet fotonov, da se sprosti en elektron, v slikovni napravi pa pet fotonov sprosti do štiri elektrone. V fotografski plošËi in oËesu zaznamo kveËjemu vsak deseti foton. Spodnja vrsta elementov na delu plošËice, ki ni obËutljiv za svetlobo, je register. Na njegovi levi strani je ojaËevalnik za merjenje naboja. S ponavljajoËo se spremenljivo zunanjo napetostjo korak za korakom premikamo naboje v registru proti levi, da jih ojaËevalnik po vrsti izmeri. Premikanje nabojev nas spomni na vrsto ljudi, ki si podajajo vedra z vodo.

Poenostavljena shema polprevodniške slikovne naprave kaže vrste slikovnih elementov in stolpce kanalov. Spodnja vrsta je register z ojaËevalnikom A/D na levi. OjaËevalnik meri naboj slikovnih elementov in pri tem soËasne analogne podatke spremeni v urejeno Ëasovno vrsto diskretnih, številskih po-

datkov. Vir: www.nobelprize.org. Risba po predlogi: Janja Benedik.

Viri: Amelio, G. F., 1974: Charge coupled devices. Scientific American, 230 (2): 23. http://nobelprize.org/nobel_prizes/ laureates/index.html, Two revolutionary optical technologies Strnad, J., 2000: Polprevodniška slikovna naprava. Presek, 28 (1): 10. Ko se elementi registra izpraznijo, se naboji po kanalih premaknejo za vrsto navzdol. Zopet ojaËevalnik po vrsti izmeri naboje v registru. Postopek se ponavlja, dokler niso izmerjeni naboji vseh slikovnih elementov. Trenutek, v katerem pride kak element na vrsto pri merjenju naboja, je odvisen od njegove lege na plošËici. Potem ko v elementih ni veË nabojev, lahko plošËico znova osvetlimo in postopek ponovimo. Naboj iz slikovnega elementa v sosednji element premaknemo v želeni smeri s sklopitvijo nabojev. Od tod ime ≈naprava na sklopitev nabojev«, charge-coupled device, CCD. Barvne slike dobimo, Ëe dva v kvadratni skupini štirih elementov opremimo s filtrom, ki prepušËa zeleno sestavino, enega s filtrom za modro in enega s filtrom za rdeËo sestavino. Slikovne naprave z diagonalo od treh milimetrov do dobrih dveh centimetrov vsebujejo do 2048 krat 2048 slikovnih elementov. Vsak od njih meri 10 tisoËin milimetra v premeru, v skrajnem primeru desetkrat manj. Te naprave so veliko obËutljivejše kot drugi merilniki svetlobe in zaznajo svetlobo s širokega pasu frekvenc. Podatke iz njih je mogoËe neposredno voditi na raËunalnik, jih obdelati, shraniti in zopet priklicati. Fotografske plošËe pa so lahko do desetkrat veËje in vsebujejo manjša in gosteje razporejena za svetlobo obËutljiva zrnca. Polprevodniške slikovne naprave najveË uporabljajo v astronomiji. Z njimi dobijo z manjšimi teleskopi slike, kot jih je bilo s fotografskimi plošËami mogoËe dobiti le z najveËjimi, ali z enakimi teleskopi slike v veliko krajšem Ëasu. Potrebna pa je dokaj zahtevna raËunalniška oprema, strojna in programska. Polprevodniške slikovne naprave sprejemajo in dalje prenašajo slike na umetnih satelitih, na primer na vesoljskem teleskopu Hubble, vesoljskih sondah in napravah, ki so pristale na Marsu. Z njimi zdravniki preiskujejo telesne votline in si pomagajo pri operacijah. Uporabljajo jih tudi v televizijskih snemalnih kamerah. Veliko jih uporabljajo v