Pozor! Používáte zastaralý prohlížeč, stránka se nemusí zobrazovat správně. Aktualizujte jej a zlepšete tak svůj uživatelský zážitek.

Matfyz.cz

Aktuality z fyziky VI

zleva: Isamu Akasaki, Hiroshi Amano, Shuji Nakamura (foto: Nobelprize.org)

V tomto dílu fyzikálních aktualit se budeme zabývat udělením Nobelovy ceny za fyziku, která ve vědeckých i nevědeckých kruzích vzbudila nemalou pozornost.

V letošním roce byla Nobelova cena za fyziku udělena dvěma japonským a jednomu americkému vědci za objev elektroluminis­cenčních diod, emitujících světlo v modré oblasti spektra. Ty umožnily konstrukci výkonných ekologických zdrojů bílého světla s nízkou spotřebou energie. Laureáty jsou Isamu Akasaki z Meijo University a z Nagoya University (nar. 1929), Hiroshi Amano z Nagoya University (nar. 1960) a Shuji Nakamura z University of California (nar. 1954).

Elektroluminis­cenční dioda je polovodičová součástka s P-N přechodem, u které se využívá zářivá rekombinace nosičů náboje. Dochází při ní k zániku nadbytečných nosičů, přitom elektron ztrácí svoji energii a přechází na nižší energetickou hladinu. Tato energie se vyzáří ve formě světelných kvant. Na velikosti této energie závisí frekvence emitovaného záření, tedy barva světla, pokud k vyzařování dochází ve viditelné oblasti spektra. Jestliže se má pomocí těchto polovodičových prvků vytvořit zdroj bílého světla, jsou potřeba diody, které emitují světlo v červené, zelené a modré oblasti spektra. Červené diody byly vyrobeny už v padesátých letech, na zelené se čekalo další desetiletí, jen ty modré daly fyzikům více zabrat. Dlouho se hledal vhodný materiál, až se v osmdesátých letech objevil galium nitrid, který se zdál vhodným pro výrobu modrých diod vzhledem širokému zakázanému pásu, tedy velké energii vyzařovaného světla, odpovídající ultrafialovému záření.

Jedním z hlavních problémů bylo, jak vyrobit krystaly galium nitridu vysoké kvality s vhodnými optickými vlastnostmi. Na konci osmdesátých a na začátku devadesátých let řešili tento problém právě tři letošní laureáti. Použili techniku organokovové epitaxe z plynné fáze a nakonec se jim podařilo nanést na vhodný substrát tenké vrstvy vysoce kvalitních krystalů galium nitridu.

Dalším problémem bylo najít vhodné příměsi, které by dokázaly vytvořit polovodič typu p, což je podstatné pro funkci LED diod. Naštěstí si Akasaki a Amano všimli, že když je galium nitrid s příměsí zinku umístěn pod elektronový mikroskop, vyzařuje více světla. To napovědělo, že ozařování elektrony zlepšuje dopování typu p. Efekt později Nakamura vysvětlil i teoreticky. Dalším krokem bylo vytvoření vícevrstvých heteropřechodů, na základě kterých se Nakamurovi podařilo jako prvnímu předvést v roce 1993 první jasně svítící modrou elektroluminis­cenční diodu.

Dnes mají zdroje světla, vytvořené z elektrolumi­niscenčních diod, široké využití v zařízeních běžného života. Používají se jako osvětlení nebo k podsvícení displejů mobilních telefonů i velkoplošných obrazovek. Diody vyzařující modré a ultrafialové světlo se také používají v digitálních záznamových zařízeních, kde kratší vlnová délka světla umožňuje větší hustotu ukládaných dat. V budoucnu by mohly být ultrafialové diody využívány dokonce i k vytváření účinných systémů pro čištění vody, protože UV záření ničí mikroorganismy. Cena letos oceněného vynálezu se podle ekonomů pohybuje v bilionech dolarů.

I tak ale letošní Nobelova cena vyvolává v některých vědeckých i nevědeckých kruzích určité rozpaky. Jde o objev nebo jen praktický vynález? Jenže v posledních deseti letech byla za čistě praktický, komerčně hojně využívaný vynález udělena Nobelova cena už třikrát. Za objev obří magnetoresistance v roce 2007, za optická vlákna v roce 2009 a za grafen v roce 2010. Pochopitelně, že objev Higgsova Bosonu má z hlediska základní fyziky zcela jiný význam, ale Alfred Nobel výslovně chtěl, aby z jeho nadace byly odměňovány i vynálezy, které mají široké praktické využití. A tak významní fyzici souhlasí s tím, aby přibližně každých pět let byl Nobelovou cenou odměněn vynález, který umožní významný technický pokrok, jako tomu v poslední době bylo v případě tranzistoru, laseru nebo optických vláken.

Nobelova cena za chemii úzce souvisí s fyzikou

Nobelova cena za chemii byla udělena za objev super-rozlišovací mikroskopické techniky, založené na fluorescenci molekul. Získali ji Američan Eric Betzig (nar. 1960), Němec Stefan Hell (nar. 1962) a Američan William Moerner (nar. 1953).

Všem třem se podařilo překonat tak zvaný difrakční limit, který je pro světelnou mikroskopii 200 nm. Jeden z odměněných, Stefan Hell, se vydal poněkud odlišnou cestou než druzí dva, všichni tři ale překročili hranici do té doby považovanou za neprolomitelnou fyzikální bariéru například při pozorování biologických buněk menších než několik set nanometrů.

Hellova metoda využívá dvou laserových paprsků vyslaných na vzorek. Jeden takzvaný excitační laser je naladěn tak, aby způsobil fluorescenci pozorované molekuly a druhý laser naopak tuto fluorescenci potlačuje. Základním trikem metody je, že druhý paprsek má uprostřed tmavou oblast, jejíž velikost je definována právě difrakčním limitem. Excitující paprsek naopak osvětluje skvrnu o velikosti dané také difrakčním limitem. V důsledku překrytí těchto dvou paprsků dochází k emisi fluorescenčního záření z centrální oblasti, která je menší než difrakční limit. Velikost této oblasti může být v principu libovolně malá. Dosáhne se toho nastavením relativních intenzit obou laserů. Obrázek se získá skenováním centrální oblasti přes celý vzorek.

Technika, kterou vyvinuli Betzig a Moerner, není sice na první pohled tak průhledná, nicméně výsledky jsou obdobné. Spočívá v osvětlování vzorku slabým laserovým pulsem, který zaručuje, že v daném okamžiku blikne vybuzeným světlem jen malá část fluorescenčních molekul. V takovém případě je extrémně nepravděpodobné, že by kterékoliv z těchto blikajících molekul byly navzájem separovány vzdáleností menší, než je difrakční limit. Každá molekula emituje během záblesku určitý počet fotonů, které se detekují jako pík intenzity s normálním rozložením a šířkou danou velikostí difrakčního limitu. Protože světlo přichází z jedné molekuly, poloha molekuly bude s velkou pravděpodobností ve středu píku. Nejistota v umístění molekuly klesá jako jedna ku druhé odmocnině počtu detekovaných fotonů. Zatímco jeden obrázek ukazuje polohu jen několika málo molekul, mnohonásobné opakování celého procesu umožňuje složit obrázek všech molekul.

Nobelova cena za chemii vzbudila letos daleko menší rozpaky než cena za fyziku. Moerner je velmi uznávaným vědcem, na washingtonské univerzitě získal akademické tituly v oboru fyziky, matematiky a elektroinženýrství. Jeho objev z roku 1989, podle něhož může být detekována i jen jediná molekula z celého vzorku, znamenal významný průlom na cestě za mikroskopií se superrozlišením.

Ani Stefan Hell není vyhraněný chemik. Věnoval se v Heidelbergu spíše molekulární biologii a biofyzice v Max-Planck Institutu. I Erik Betzig je fyzik z California Institute of Technology. Pracoval v Bellových laboratořích v oborech aplikací optiky v biologii a sběru dat. A nakonec se významně uplatnil i v medicínském výzkumu.

Věda je dnes prostě interdisciplinární. Fyzici potřebují chemiky, chemici potřebují biology a lékaři potřebují všechny. A všichni dohromady postupují někdy dopředu rychlostí, nad kterou se tají dech.


Další díly:

Aktuality z fyziky XVII
Aktuality z fyziky XVI
Aktuality z fyziky XV
Aktuality z fyziky XIV
Aktuality z fyziky XIII
Aktuality z fyziky XII
Aktuality z fyziky XI
Aktuality z fyziky X
Aktuality z fyziky IX
Aktuality z fyziky VIII
„Top ten“ fyziky v roce 2014
Aktuality z fyziky VII
Aktuality z fyziky V
Aktuality z fyziky IV
Aktuality z fyziky III
Aktuality z fyziky II
Aktuality z fyziky I

Další obrázky
comments powered by Disqus

Matfyz.cz

Univerzita Karlova
Matematicko-fyzikální fakulta
Ke Karlovu 3
121 16  Praha 2
IČ: 00216208
DIČ: CZ00216208
web fakulty
studuj na Matfyzu
e-shop