Revolučné technológie

Aj keď vo fyzike tentoraz  nešlo o nejaký zásadný posun v našom chápaní prírodných zákonov. Išlo skôr o objavy prírodných javov, ktoré viedli k úplne novým technológiám a významným spôsobom ovplyvnili náš život. Komisia ocenila práce, vďaka ktorým napríklad dnes máme doma vysokorýchlostné internetové pripojenie alebo digitálne fotoaparáty. 

Polovicu Nobelovej ceny za fyziku získal Charles K. Kao, anglický vedec čínskeho pôvodu. Získal ju za svoje práce, ktoré podstatným spôsobom prispeli k tomu, že dnes vieme vyrábať vysokokvalitné optické vlákna používané na prenos informácií, napríklad digitálnej televízie alebo internetových stránok. 

To, že svetlo vpustené do tenkého skleného alebo plastového vlákna ho nemôže opustiť, ale odráža sa vnútri dovtedy, kým na opačnom konci vlákno neopustí (obr. 1), bolo už dlho známe. V čase, keď mladý inžinier Kao nastúpil do STL (Standard Telecommunication Laboratories), boli však optické vlákna veľmi nedokonalé – iba malá časť svetla sa dostala na jeho koniec, väčšina sa vo vlákne pohltila alebo rozptýlila. Cez 20 m dlhé vlákno sa dostalo iba asi 1%  svetla, zvyšok sa nenávratne stratil. Také vlákna boli teda úplne nevhodné na prenos svetelných signálov na väčšie (napríklad niekoľkokilometrové) vzdialenosti. Dnes sa zväzky takých vlákien používajú iba na dekoračné účely ako svetelné fontány.

Jeden z prvých významných Kaových objavov sa týkal príčin straty svetla. Zistil, že rozptyl svetla vo vláknach má rovnakú príčinu, ako rozptyl svetla v atmosfére Zeme – je spôsobený nehomogenitami materiálu mikroskopických rozmerov. Zaujímavé je, že tým spôsobom sa lepšie rozptyľuje svetlo s kratšími vlnovými dĺžkami (modré), preto je aj obloha modrá. 

Kao sa teda začal zaujímať o vlastnosti skiel v infračervenej oblasti. Zistil, že v tejto oblasti vlákna naozaj prepúšťajú svetlo podstatne lepšie, a to tým viac, čím je vlnová dĺžka svetla väčšia. Tú však nemožno zvoliť ľubovoľne veľkú, lebo potom už materiál  začína svetlo pohlcovať. Pre každý druh skla teda existuje kompromis – vlnová dĺžka s najlepšou priepustnosťou. 

Kao potom hľadal najlepší materiál na vlákna a zistil, že tavený kremeň je pre svetlo s vlnovou dĺžkou blízkou 1,5 mikrometra  mimoriadne priehľadný. Ak sa kremeň očistí od železa (prítomnosť železa spôsobuje hnedastú farbu kremeňa), získame materiál s priam neuveriteľnou priehľadnosťou – po prejdení kilometrovej vzdialenosti sa vo vlákne stratí menej než 5 % svetla. Ak by bola taká priehľadná voda v oceánoch, na dne Mariánskej priekopy by nebola večná tma, ale takmer rovnaké svetlo, ako na pláži.

Kao bol zároveň vizionárom – presadzoval myšlienku využitia vlákien na komunikáciu. Až objav lacných polovodičových laserov, ktorými dokážeme blikať úžasne rýchlo – stovky miliónkrát za sekundu – však umožnil reálne využitie tejto, v porovnaní s medenými káblami lacnej technológie. Prvé vlákno bolo na komunikáciu reálne využité v roku 1975, dnes je už celá Zem poprepájaná pavučinou optických vlákien prinášajúcich do našich domov zábavu i poučenie.

Druhú polovicu ceny dostali Willard S. Boyle a George E. Smith za objav CCD snímača (CCD = Charge-Coupled Device,  zariadenie s prenosom náboja). Obaja pracovali v čase objavu v Bell Laboratories v USA v divízii polovodičov. Táto divízia prežívala pomerne krušné chvíle, a to kvôli veľmi populárnym magnetickým bublinkovým pamätiam, na ktorých vývoji pracovala susedná divízia. Hrozilo dokonca, že odčerpá finančné prostriedky divízii polovodičov. 

Aby sa to nestalo, Boyle a Smith sa rozhodli vyjsť s polovodičovou alternatívou magnetických bublinkových pamätí. Dňa 17.10.1969 sa spolu stretli a počas jednohodinovej (!) diskusie urobili náčrt polovodičového čipu fungujúceho na podobnom princípe ako bublinkové pamäte, akurát že na uchovávanie informácie by tento čip využíval elektróny. 

Ako možno pomocou tohto čipu robiť fotky? Pri dopade svetla do polovodiča sa v ňom uvoľnia elektróny a tie sú priťahované ku kladne nabitej elektróde. Na ňu sa však nemôžu dostať, lebo medzi polovodičom a elektródou je vrstva izolantu (SiO2 – kremeň). Čím viac svetla do okolia elektródy dopadlo, tým viac elektrónov sa pri elektróde zhromaždí. Pripomína to nahnevaných psov, ktorí sa zhromaždia na opačnej strane ohrady a zúrivo brešú na okoloidúcich, cez ohradu sa však našťastie nemôžu dostať.

Celý čip je pokrytý obrovským množstvom takých elektród (pixlov), ktoré formou elektrónov zbierajú informácie o množstve svetla v ich okolí. Aby sme získali digitálnu fotografiu, potrebujeme už iba spočítať elektróny pod jednotlivými elektródami. Na to však potrebujeme elektróny spod  jednotlivých elektród presunúť do špeciálneho elektrického obvodu – prevodníka. Ako to však urobiť? 

Presne rovnako, ako s brechajúcimi psami. Ak sa pohneme pozdĺž ohrady, psy nás budú nasledovať. Elektródu síce nemôžeme po čipe posúvať, ale môžeme vyrobiť ďalšie pomocné elektródy a na ne postupne privádzať kladné napätie. A tak, krok za krokom, si odvedieme brechajúcich psíkov až ku bránke (prevodníku), kde si ich spočítame. 

V čom je CCD snímač revolučný? Je mnohonásobne citlivejší než klasický fotografický film. To umožnilo podstatne skrátiť expozičné časy, čo potešilo napríklad astronómov. Bez CCD snímačov by napríklad Hubblov teleskop nedokázal odfotiť rôzne slabé hmloviny a galaxie. Navyše máme obraz v digitálnej podobe, čo umožňuje jeho následné spracovanie na počítači. To, čo kedysi fotografi robili v tmavej komore a s neistým výsledkom, sa dnes robí pohodlne na počítači. A ak sa vám spracovaná fotka nepáči, tak ju vymažete a skúšate znovu. Navyše na displeji digitálneho fotoaparátu ihneď vidíme zmenšeninu fotografie a nemusíme film najprv vyvolať.

CCD snímač však nevidí farebne. Ako teda môžeme získať farebné fotografie? Vedci to robia tak, že urobia tri snímky toho istého objektu, ale raz cez červený filter, druhýkrát cez zelený a tretíkrát cez modrý. Tie tri fotografie sa potom v počítači zložia do jednej farebnej snímky.

Tento postup sa však vôbec nehodí na bežné fotografovanie. Preto výrobcovia CCD snímačov umiestňujú pred pixle miniatúrne farebné filtre – pred niektoré pixle červený, pred iné zelený alebo modrý. To, čo z takého snímača dostaneme, je teda obraz zložený z množstva červených, zelených a modrých bodiek. To, ako z tohto zmätku dostať nádherný farebný obraz, patrí k najstráženejším tajomstvám výrobcov fotoaparátov. Práve preto môžu dva fotoaparáty rôznych výrobcov, obsahujúce ten istý CCD snímač, produkovať fotografie s výrazne rôznou kvalitou.

Väčšina Nobelových cien je udelená za objavy urobené v rámci takzvaného základného výskumu. Mnohé také objavy vedú neskôr k aplikáciám, o ktoré objavitelia len matne tušili, alebo sa im dokonca o nich ani len nesnívalo. Ale občas sa stane, že cenu dostanú ľudia, ktorí od začiatku pracujú na aplikáciách. Tak to bolo aj tentoraz.

Tohtoročná Nobelova cena za fyziku išla do rúk autorom vynálezov, ktoré výrazne zmenili život vo väčšine domácností. Od ich objavu už uplynulo veľa rokov, ale ich dopad na vedeckú komunitu ale aj širokú verejnosť je obrovský. Vedecký výskum nemožno stavať na aplikáciách, ale je správne vedieť skvelé aplikácie oceniť aj tým najvyšším možným spôsobom.