Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 42 – vyšlo 6. listopadu, ročník 7 (2009) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

42/2009

Udělení Nobelovy ceny za fyziku pro rok 2009

David Břeň

Letošní Nobelova cena za fyziku byla udělena za objevy, s jejichž průmyslovým využitím se dnes setkáváme téměř každý den. Polovinu ceny získali Willard S. Boyle a George E. Smith za objev senzoru CCD (Charge-Coupled Device, zařízení s vázaným nábojem). Druhou polovinu obdržel Charles K. Kao za přínos v oblasti přenosu světla pomocí optických vláken.

Nobelova cena – je udílena švédskou Královskou akademií věd jednou ročně v pěti kategoriích: za fyziku, chemii, fyziologii a medicínu, literaturu a za úsilí o mír. Cena je hrazena z Nobelovy nadace, kterou založil Alfréd Nobel, vynálezce dynamitu, v roce 1895. První cena za fyziku byla udělena v roce 1901 Wilhelmu Roentgenovi za objev rentgenového záření. Hodnota Nobelovy ceny se mění, v roce 2021 činí 10 milionů švédských korun, tj. 25 milionů českých korun. Uděluje se vždy 10. prosince při výročí smrti Alfreda Nobela. CCD – Charge Coupled Device, zařízení s nábojovou vazbou, umožňuje převést paralelní analogový signál (elektrický náboj kumulovaný v potenciálových jámách) na sériový signál, daný časovou posloupností proudových pulzů úměrných kumulovanému náboji. Při serializaci paralelní informace CCD funguje jako posuvný registr, který umožňuje postupné posouvání náboje změnou potenciálového profilu řízenou hodinovým signálem. (Přesun náboje si lze přestavit podobně jako řetěz lidí předávajících si při požáru na povel různě naplněná vědra s vodou. S každým povelem se konkrétní vědro posune o krok blíže k požáru. Časový průběh proudu vody vylitého do ohně odráží prostorové rozložení objemů vody ve vědrech.) Potenciálové jámy mohou být umístěny vedle sebe pouze v jediné řadě (lineární CCD) nebo ve více řadách (plošné CCD). Nejznámějšími CCD jsou fotoelektrické snímače, kdy se rozložení náboje vytváří vnitřním fotoefektem. Mohou však sloužit i jako paměťové prvky (například jako odkládací paměť pro výše zmíněné fotoelektrické snímače). V zobrazovacích zařízeních jsou nejmenší rozměry jednoho CCD pixelu 9×9 mikrometrů a plošné senzory jsou tvořeny maticí velkou až 5120×5120 pixelů. Chlazené CCD senzory pracují se šumem odpovídajícím 4 až 7 elektronům. (Údaje z roku 2008.)

Optická vlákna

Optická vlákna jsou v dnešní době doslova informačními tepnami. Současné komerční optické kabely přenášejí až 10 terabytůbyte – bajt, jednotka informace, která označuje osm bitů, tj. osmiciferné binární číslo. Takové množství informace může reprezentovat například celé číslo od 0 do 255 nebo jeden znak abecedy. Jeden byte je obvykle nejmenší objem dat, se kterým dokáže procesor přímo pracovat. Větší jednotky: kilobajt (kB, 2¹⁰ = 1024 bytů), megabajt (MB, 1024*1024 bytů), gigabajt (GB, 1024³ bytů), terabajt (TB, 1024⁴ bytů). za sekundu. Princip jejich funkce je jednoduchý, využívají faktu, že index lomu vlákna je větší než index lomu obalu a tudíž pro malé úhly dochází zevnitř vlákna u stěn k úplnému odrazuÚplný odraz – jev, který nastává při průchodu světla z prostředí opticky hustšího (např. skla) do prostředí opticky řidšího (např. vzduchu). Světlo se láme od kolmice a s rostoucím úhlem dopadu se zvětšuje i úhel lomu. Při tzv. mezním úhlu dopadu dosáhne úhel lomu největší možné hodnoty 90° a lomený paprsek splývá s rozhraním. Při větších úhlech dopadu již světlo do druhého prostředí nepronikne a jen se od rozhraní s opticky řidším prostředím odráží. Tento jev pozoroval v Praze na počátku 17. století Johanes Kepler. optického signálu. Čím je vyšší frekvence elektromagnetického signálu, tím více informací za jednotku času může signál přenést.

V roce 1960, kdy Charles Kao začal se svými studiemi, zkoušely Britský poštovní úřad, AT&T a i další telekomunikační společnosti vyvíjet optickou komunikaci. Tenkrát již nebyla největší překážkou generace signálu. V roce 1960 Theodore H. Maiman v USA poprvé předvedl funkční laserLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. a ten byl k tomuto účelu více než vhodný. Byl tehdy ještě relativně drahý a těžkopádný, ale mohl vytvářet modulovaný signál nesoucí informaci. Největším problémem se tehdy díky obrovským ztrátám jevil právě přenos informace. Použitelný kabel by měl přenést signál s co nejmenšími ztrátami na co největší vzdálenosti. V té době se používaly plastové průhledné kabely na přenos mikrovln. V šedesátých letech byl použitelný optický kabel délky maximálně pár desítek metrů. Plastová vlákna měla útlum 20 dBDecibel – logaritmická míra útlumu, kterou zavedli v roce 1923 inženýři Bellových telefonních laboratoří. Útlum v decibelech je definován jako 10 log(I/I₀). Dnes se tato jednotka využívá i pro logaritmickou míru poměru nejrůznějších dalších veličin, například akustického tlaku./km.

Charles Kao a George Hockham publikovali v roce 1966 přelomový článek [1]. Uvědomili si, že dostatečně tenké vlákno může přenášet jen jeden mód (nebo velmi omezený počet modů) a tím lze předejít ztrátě informací díky rozptylu signálu. Jejich klíčový přínos byl v tom, že přišli na to, jakou úlohu mají nečistoty ve vláknu, konkrétně ionty kovů, které elektromagnetický signál silně rozptylují. Charles K. Kao a George A. Hockham odhadli, že bez těchto příměsí by se v čistém vlákně měl útlum snížit na pouhý 1 dB/km. Z materiálů, které testovali, se jako nejslibnější jevil čistý křemíkKřemík – polokovový prvek, hojně se vyskytující v zemské kůře. Slouží jako základní materiál pro výrobu polovodičových součástek nebo položek pro pěstování nanostruktur. Oxid křemičitý je základní surovina pro výrobu skla a významná součást keramických a stavebních materiálů. Objev křemíku je připisován švédskému chemikovi J. Jacobu Berzeliovi (1824).. Je jedním z nejhojnějších materiálů na Zemi a tudíž také velmi levný. Tehdy ale ještě nebylo jasné, zda je z něho možné vyrobit dlouhá, pružná a zároveň pevná vlákna. Komunikační společnosti, které tehdy oslovili, jim nedokázaly výzkum financovat a tak první skupinou, která vyrobila optický kabel se ztrátami pod 17 dBDecibel – logaritmická míra útlumu, kterou zavedli v roce 1923 inženýři Bellových telefonních laboratoří. Útlum v decibelech je definován jako 10 log(I/I₀). Dnes se tato jednotka využívá i pro logaritmickou míru poměru nejrůznějších dalších veličin, například akustického tlaku./km byla v roce 1970 skupina Roberta Mauera z americké společnosti Corning Glass Works. V současné době se vyrábějí optická vlákna s útlumem ve zlomcích dB/km.

Svazek optických vláken. Zdroj: Wallpapers.

Tkanina z optických vláken. Může sloužit jako celoplošné panely,
ale i k dekoračním účelům. Zdroj: Starceiling.

CCD

Podnět k Boyleovu a Smithovu vynálezu CCDCCD – Charge Coupled Device, zařízení s nábojovou vazbou, umožňuje převést paralelní analogový signál (elektrický náboj kumulovaný v potenciálových jámách) na sériový signál, daný časovou posloupností proudových pulzů úměrných kumulovanému náboji. Při serializaci paralelní informace CCD funguje jako posuvný registr, který umožňuje postupné posouvání náboje změnou potenciálového profilu řízenou hodinovým signálem. (Přesun náboje si lze přestavit podobně jako řetěz lidí předávajících si při požáru na povel různě naplněná vědra s vodou. S každým povelem se konkrétní vědro posune o krok blíže k požáru. Časový průběh proudu vody vylitého do ohně odráží prostorové rozložení objemů vody ve vědrech.) Potenciálové jámy mohou být umístěny vedle sebe pouze v jediné řadě (lineární CCD) nebo ve více řadách (plošné CCD). Nejznámějšími CCD jsou fotoelektrické snímače, kdy se rozložení náboje vytváří vnitřním fotoefektem. Mohou však sloužit i jako paměťové prvky (například jako odkládací paměť pro výše zmíněné fotoelektrické snímače). V zobrazovacích zařízeních jsou nejmenší rozměry jednoho CCD pixelu 9×9 mikrometrů a plošné senzory jsou tvořeny maticí velkou až 5120×5120 pixelů. Chlazené CCD senzory pracují se šumem odpovídajícím 4 až 7 elektronům. (Údaje z roku 2008.) přišel ze dvou zcela odlišných projektů Bellových laboratoří. Byly to magnetická bublinková paměť a křemíková diodová kamera. V roce 1960 přišel Andrew Bobeck s nápadem ukládat data v magnetických doménách (bublinkách) tenkého filmu magnetického materiálu. Za použití slabého proudu by se tyto domény posouvaly pod čtecí hlavou bez jakýchkoliv nezbytných pohyblivých součástí.

Smith pracoval na vývoji křemíkové diodové kamery, telekomunikačního zařízení, které by mohlo přenášet pohyblivý obraz stejně jako zvuk. Fyzikální podstata této kamery je téměř totožná se CCD. Podobně jako většina světločivných prvků i CCD využívá fotoefektuFotoelektrický jev (vnitřní) – uvolňování elektronů uvnitř polovodiče dopadajícím zářením. Elektrony jsou dodanou energií excitovány z valenčního do vodivostního pásu, čímž dojde ke zvýšení vodivosti materiálu. V hradlových fotočláncích dopadá záření na rozhraní polovodičů typu N a P a vyvolává přímo elektromotorické napětí. Na základě vnitřního fotoefektu jsou konstruovány fotometry, expozimetry, zařízení automatické ochrany, ovládací mechanizmy, CCD čipy, kopírky, fotočlánky, fotonásobiče a mnohá další zařízení.. FotonyFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926. po dopadu na křemíkovou vrstvu excitují elektronyElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10⁻³¹ kg a elektrický náboj 1,6×10⁻¹⁹ C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. do vyšších, excitovaných stavů. Excitované elektrony tak vytvoří dočasně nabitou oblast. Z těchto nabitých oblastí lze odvodit množství dopadlého světla na různá místa a tím i podobu snímaného obrazu.

Údajně během pouze jedné hodiny 16. října 1969 si načrtli Smith s Boylem řešení CCD článku a odešli do laboratoře zrealizovat první takový jednoduchý prvek. V jimi navrhovaném řešení by, podobně jako informace v bublinkové paměti, byla malým proudem osvětlená nabitá místa přenášena k zesilovači obrazu. Nebylo by tedy nutné mít mnoho oddělených článků, ale jeden kus materiálu. PixelyPixel –  (z angl. picture element) – v záznamové technice nejmenší jednotka měřící intenzitu dopadajícího světla, v zobrazovací technice jeden obrazovkový bod. by byly tvořeny elektronicky za pomoci mřížky kovových elektrod, které generují pole kladně nabitých potenciálových jam k zachytávání elektronů. Po jedné expozici by obraz sestávající ze zachycených nábojů (nebo jejich nepřítomnosti) mohl být posouván pomocí sekvence napěťových pulzů. První pulz přenese první řádek nabitých oblastí do AD převodníkuAD převodník – analogově digitální převodník signálu. pro výstup a všechny další řádky nabitých pixelů do dalších řádků zpracovávaného obrazu. Během týdne od onoho setkání měli Boyle, Smith a jejich spolupracovníci první testovací model. Do dubna následujícího roku publikovali dva články. Jeden popisující jejich koncept a další popisující samotné funkční zařízení [5, 6].

Jejich první jednotka měla integrační čas 16 s a mohla přenést vše až na 2 % z celkového množství elektrického náboje. Dnešní nejrychlejší CCD kamery mohou vytvářet obrazy do několika stovek mikrosekund a nejúčinnější přenáší vše až na 1 ze 100 000 elektronů. CCD snímky jsou v principu černobílé. Přidáním barevného filtru nad daný pixel je možné sestavit barevný obraz. V dnešní době se stále více prosazují senzory založené na technologii CMOSCMOS – Complementary Metal Oxid Semiconductor, technologie, která využívá tranzistorů MOSFET obou typů vodivosti (NMOS a PMOS). CMOS technologií se v současnosti vyrábí většina elektronických integrovaných obvodů včetně procesorů, pamětí a v posledních letech také obrazové senzory digitálních fotoaparátů (alternativa k CCD). CMOS součástky vynikají nízkou spotřebou a vysokou hustotou integrace. Technologie samotná je poměrně laciná a dobře technologicky zvládnutá.. V čipech CMOS se informace čte naráz a nikoli řádek po řádku.

Vynálezci CCD. Zdroj CNET.

CCD čip v kameře. Zdroj: Wikipedia.

Charles Kuen Kao (1933)

Narodil se 4. 11. 1933 v Šanghaji. vystudoval elektrotechnickou fakultu Londýnské univerzity v roce 1957. Dále pracoval pro společnost STC (Standard Telephones and Cables) v jejich výzkumném centru STL (Standard Telecommunications Laboratoriem) v Anglickém Harlow. V roce 1965 získal PhD na téže univerzitě a následující rok provedl průlomové práce společně s Georgem Hockhamem v oblasti optických vláken. Ukázal, že obrovské ztráty tehdejších vláken jsou způsobeny převážně jejich nečistotami a nikoliv technologií samotnou. Po odchodu z laboratoře STL pracoval jako ředitel výzkumu společnosti ITT (International Telephone & Telegraph), byl čestným rektorem Čínské univerzity v Hong Kongu a výkonným ředitelem společnosti Transtech. V současné době je předsedou a výkonným ředitelem společnosti ITX Services. Dne 6. října 2009 byl oceněn Nobelovou cenou za fyziku za přínos ve studiu přenosu světla v optických vláknech.

Willard Sterling Boyle (1924)

Narodil se 19. srpna 1924 v Amherstu, v Novém Skotsku (Kanada). Kanadský fyzik a spoluvynálezce CCD. Bakalářský (1947), magisterský (1948) a PhD (1950) titul získal na McGillově univerzitě. Za druhé světové války musel studia přerušit, působil v kanadském a britském námořnictvu. Od roku 1953 pracoval v Bellových telefonních laboratořích. V roce 1962 spolu s Donem Nelsenem zkonstruovali první kontinuální (rubínový) laser. V šedesátých letech se v Bellových laboratořích zapojil do prací na programu Apollo, aktivně se zúčastnil výběru míst pro přistání. V letech 1962 až 1964 byl dokonce ředitelem jednoho oddělení zabývajícího se kosmickým výzkumem. V roce 1969 společně s George Elwoodem Smithem zkonstruovali první detektor CCD, za který dostali řadu ocenění a v roce 2009 i polovinu Nobelovy cenu za fyziku. Druhou polovinu získal Charles Kao za výzkum a vývoj optických vláken. V době udělení Nobelovy ceny žil Boyle se svou manželkou v Halifaxu.

George Elwood Smith (1930)

Americký fyzik zabývající se různými aplikacemi. Narodil se 10. května 1930 ve White Plains ve státu New York. Po válce sloužil v americkém námořnictvu. Bakalářský titul získal roku 1955 na Pensylvánské univerzitě, na Chicagské univerzitě získal titul PhD v roce 1959. Působil v Bellových laboratořích v oblasti laserů a polovodičových součástek. Vlastní desítky patentů. V roce 1969 společně s Willardem Sterlingem Boylem zkonstruovali první detektor CCD, za který dostali řadu ocenění a v roce 2009 i polovinu Nobelovy cenu za fyziku. Druhou polovinu získal Charles Kao za výzkum a vývoj optických vláken. Po celý život byl Smith nadšeným námořníkem. Do důchodu odešel v roce 1986 a odpočinku využil se svou manželkou k plavbě kolem světa.

Klip týdne: Výroba CCD

Výroba CCD..V dnešním klipu týdne naleznete postup výroby CCD, které se stalo základem současné digitální zobrazovací techniky. Světlo je v CCD čipu převáděno na elektrický náboj, který je „čten“ řádek po řádku. Barevný obraz je skládán ze tří obrazů získaných přes barevné filtry. Zdroj Science 2007. (avi/xvid, 23 MB)

Odkazy