Megjelent az Élet és Tudomány 1999/46.számában

Kvantumoptika:
De mi viszi át a fényt?

Imperial College, University of London

A fizika kézikönyvei szerint a fény nem juthat át a hullámhosszánál jóval kisebb réseken: az elmúlt két év során azonban több kísérlet is azt mutatta, hogy vékony fémrétegbe fúrt apró lyukak bizonyos hullámhosszakon meglepően átlátszók. A felfedezés sokak szerint felhasználható gyorsabb mikrocsipek és tökéletesebb elektronikus kijelzők készítésére. A jelenség elméleti hátterének megértését nagyban segítheti, hogy nemrégiben angol kutatóknak sikerült azt számítógéppel szimulálni, s kimutatni, hogy a folyamatban kulcsszerepet játszanak a fém töltéshordozóinak a váltakozó elektromágneses terek által keltett kvázirészecskeszerű gerjesztései, a plazmonok.
„Az ember azt várná, hogy egy ezüstlap akkor is csaknem tökéletesen viszaveri a fényt, ha belé a fény hullámhosszánál jóval kisebb átmérőjű lyukakat fúrunk – mondta John Pendry a Londoni Egyetem (Imperial College) kutatócsoportjának vezetője. – Ebben a mérettartományban azonban a dolgok drámai módon megváltoznak.” Hogy megértsék, hogyan jut át a fény a „lyukas” fémen, Pendry és munkatársai olyan számítógépes programot készítettek, amely a kölcsönhatás számos részletét szimulálta. A legnagyobb nehézséget az okozta, hogyan vegyék számításba a fém elektromágneses tulajdonságait, amelyek igen érzékenyen függenek a fény hullámhosszától. A számításokat megkönnyítendő a rendszer geometriáját némileg leegyszerűsítették: a lyukrács helyett egy a felületbe vésett négyzetrácsot vizsgáltak, amely a kísérletekhez hasonló eredményekre vezetett.

A számítógépes szimuláció szerint a résben ilyen erős elektromos terek jönnek létre, miközben a fény „átpréselődik” a hullámhosszának mindössze 7 százalékát kitevő átmérőjű lyukon

Megmutatták, hogy 0,5 mikron széles rések esetén egy keskeny hullámhossztartományban (a fém vastagságától függően 4 és 10 mikron között) az áteresztés a 80 százalékot meghaladja. A szimuláció arra is rávilágított, hogy a beeső fényben rezgő elektromos és mágneses terek a fém elektronjait megrezgetve részecskeszerűen viselkedő plazmarezgéseket, úgynevezett plazmonokat hoznak létre. A résben csak meghatározott frekvenciájú (a rés méretére rezonáns) plazmonok keletkezhetnek (hasonlóan ahhoz, ahogy az orgonasípokban rezgő levegőoszlopok rezgésszáma is csak bizonyos, a síp hosszától függő értékeket vehet fel). Ezek a plazmonok „viszik át” az energiát a résen keresztül a fém túlsó oldalára, ahol az ismét fény formájában jelenik meg. „Valójában tehát szó sincs arról, hogy a fény hatolna át a lyukon, csupán a felületes szemlélő számára mutatkozik így a jelenség” – mondta Pendry. A szimuláció azt is feltárta, hogy az átvitel – mivel a résben csak a méretére rezonáns plazmahullámok alakulhatnak ki – nagyon érzékenyen függ a fémréteg vastagságától.
Pendryt leginkább a résben kialakuló igen erős elektromos terek izgatják, amelyek akkor keletkeznek, miközben a fény ezen a közvetett úton „átpréselődik” az apró lyukon. „A fény energiája eközben nagyon kis térfogatra összpontosul, sokkal kisebbre, mint amekkorára a lézerfény például normál lencsékkel fókuszálható” – mondta Pendry, aki szerint ez felhasználható például molekulák és atomok szerkezetének minden eddiginél érzékenyebb vizsgálatára. A strasbourgi Louis Pasteur Egyetemen dolgozó Thomas Ebbesen, akinek kutatócsoportja tavaly a meglepő jelenséget felfedezte, szintén fontos előrelépésnek és további kutatásokra ösztönzőnek tartja az angol kutatók eredményét.

Forrás: http://www.ic.ac.uk