Előfizetés a lapra

Nanorészecskék új megvilágításban

A fény nemzetközi éve, A hét kutatója, fény, fizika, interjú, nanorészecske, plazmon

2016/01/13

A fénnyel kapcsolatos kutatások életünk szinte minden területén eredményt hozhatnak. Magyar kutatók is dolgoznak olyan módszereken, melyek segítségével a kutatók nagyon kis térrészbe tudják koncentrálni a fényt, és a nano-objektumok spektrumát azok anyagával, méretével és alakjával képesek befolyásolni. A kutatások eredményeit az integrált nanofotonikai eszközökben, a telekommunikációban, a csillagászatban, a kvantuminformatikában és az orvoslásban is lehet alkalmazni. Csete Máriával, a Szegedi Tudományegyetem Optikai és Kvantumelektronikai Tanszékének tudományos főmunkatársával készítettünk interjút.

– Milyen utat tett meg eddig tudományos pályafutása során?

– Diplomámat 1993-ban fizikusként és fizika szakos középiskolai tanárként vettem át. Az „Optika, lézerfizika, lézerek alkalmazása” Fizika Doktori iskolában „Polimerek felületmódosítása és folyadékok ablációja excimer lézeres besugárzással” témában szereztem PhD-fokozatot. Ösztöndíjasként a németországi Universitaet Ulm Abteilung Experimentelle Physik intézetében az atomerő-mikroszkópia területén új módszereket tanultam meg, és megismerkedtem a kísérleti felületi plazmon spektroszkópiával is. Eötvös poszt-doktori ösztöndíj keretén belül 2008-ban kezdtem el nanofotonikával foglalkozni az USA-ban. Hazatérésem után folyamatban lévő OTKA-pályázatok, majd az újonnan induló Európai Uniós TÁMOP-pályázatok támogatásának köszönhetően három munkatársat, és később három nagyon jó képességű hallgatót vontam be a nanoplazmonika három nagy területén: a plazmonikus foto- és biodetekrotok fejlesztése, valamint a nanolitográfia újabb módszereinek kidolgozása céljából folytatott kutatásokba. A Nanoplazmonika kutatócsoportot formálisan 2012-ben alapítottuk, azóta a csoport újabb két hallgatóval és egy lelkes fiatal munkatárssal bővült. Az ösztöndíjak után egyetemi adjunktusként dolgoztam, a tudományos főmunkatársi kinevezésemet 2013-ban vettem át. Széleskörű hazai és külföldi együttműködéseket építettünk ki, jelenleg az MIT RLE valamint a Jet Propulsion Laboratory csoportjaival működünk együtt.

– Mit jelent a „plazmon” és a „felületi plazmon polariton” kifejezés?

– A plazmon az elektrongázban létrehozható kollektív rezgésekhez rendelhető kvázirészecske neve. Mi valójában nem a plazmonokkal, hanem a felületi plazmon polaritonokkal foglalkozunk, amelyek az ezen kollektív rezgéseket kísérő, a fém-dielektrikum (jól vezető-elektromosan szigetelő) határfelületén terjedő elektromágneses hullámok. Érdekes módon a fény hullámhosszánál lényegesen kisebb fém nano-objektumokon is kelthetőek kollektív rezgések, amelyeket lokalizált felületi plazmonoknak nevezünk. Jelenlétüket az elektromágneses mező nagyon kis térrészekbe koncentrálódása követi. Mivel az így koncentrált fény karakterisztikus hullámhossza lényegesen kisebb, a fém nano-objektumokat úgy is tekinthetjük, mint nagyon kicsi antennákat. A plazmonika tudományában fontos lehetőség rejlik abban, hogy a fém-dielektrikum határfelületek struktúrájával, valamint a nano-objektumok anyagával, méretével és alakjával hangolhatjuk a spektrumot. A kutatásaink során alkalmazott plazmonikus spektrumszerkesztési elv lehetővé teszi, hogy olyan komplex szerkezeteket tervezzünk, amelyek a spektrum előre választott helyén eredményezik a plazmongerjesztést és az azt kísérő nagymértékű elektromágneses térnövekményt. Az általam a MIT-n elkezdett kutatások során sikerült olyan plazmonikus struktúrával integrált egyfoton detektorokat terveznünk, amelyek a telekommunikációban alkalmazott 1550 nm-es hullámhosszon a korábbinál jóval nagyobb, 95%-os abszorpcióval rendelkeznek. Mindezt úgy érjük el, hogy az integrált plazmonikus rácsok negyed hullámhossz nagyságrendű üregeinek belépő résénél elhelyezkedő ~4×100 nm-es abszorbeáló szupravezető régiók körül lokalizált plazmonokat gerjesztünk. Mindemellett a rács periódusát úgy választjuk meg, hogy a csatolt terjedő plazmonok szinkronizálva legyenek az egyes üregek között. Az elv általános, elvileg bármilyen nanofotonikai rendszerre alkalmazható. A megvalósítás során az SZTE Informatika Intézetéből együttműködő informatikusok által kidolgozott speciális optimalizáló eljárásokkal egészítettük ki az általunk használt végeselemes módszert.

– Hogyan kapcsolódik a kutatása a Fény évéhez?

– A terjedő felületi plazmon polaritonokat kétdimenziós fényként is lehet tekinteni, ennek megfelelően az optikai elemek kétdimenziós megfelelőit dolgozták ki a kutatások elején. A Nanoplazmonika Kutatócsoport abban a megtiszteltetésben részesült 2015-ben, hogy az NKFIH (korábban OTKA) támogatásával folytathatjuk kutatásainkat, amelyek során új célkitűzésünk az optimalizált nanoplazmonika megvalósítása, azaz különböző plazmonikus struktúrák optimalizálása elsődlegesen a fénykibocsátás erősítése céljából. Terveink között szerepel egyfoton-forrásokból a fénykibocsátás növelése és a kicsatolás maximalizálása, erősítésre és koherens fény generálására plazmonikus rezonátorok tervezése, a fluoreszkáló molekulák kollektív és erős csatolásának tanulmányozása plazmonikus terekben, valamint a fluoreszkáló vagy festékkel jelölt biomolekulák detektálására és lokalizálására alkalmas mikroszkópiás eljárások kidolgozása. Távlati céljaink között szerepel a magasabb felharmonikusok keltésére alkalmas plazmonikus struktúrák tervezése, amelyeket az attoszekundumos (egy másodperc 10–18 részén alapuló) tudományban is lehet alkalmazni.

Ciszteinmolekulával bevont ezüstnanorészecskéből felépülő aggregátumok.

Négypólusú és kétpólusú rezgések az UV és a vörös felé tolódott abszorpciós csúcsoknál.

– Milyen gyakorlati alkalmazása van a kutatásának?

– A plazmonikus spektrumszerkesztés elvének követésével optimalizált egyfoton-detektorokat fejlesztünk, ezeket elsődlegesen a telekommunikációban és a csillagászatban alkalmazzák. További fontos alkalmazásai terület a kódolt jel kiolvasása a kvantuminformatikában. Az általunk kidolgozott, az interferencia jelenségén és (10-6 – 10-9 m tartományába eső) kolloidgömbök alkalmazásán alapuló litográfiák ötvözésével megvalósítottunk egy integrált litográfiai eljárást, mellyel különböző nanoobjektumok hullámhossz nagyságrendű periódussal rendelkező mintázatai hozhatóak létre. A módszer nagy előnye, hogy a komplex struktúrák nagy számú geometriai paramétere egymástól függetlenül beállítható, amelynek eredményeként a spektrum nagy szabadsági fokkal hangolható. Ezzel a módszerrel számos integrált nanofotonikai eszköz hozható létre.

– Hogyan lehet felhasználni az eredményeit az orvostudományban?

– A plazmonikus struktúrák bio-szenzor platformokként alkalmazhatóak, mivel megnövelik a helyi térintenzitást, így megnövekedik a közelükbe helyezett bio-molekulák detektálásának érzékenysége. Kimutattuk, hogy a forgatott rács-csatolás jelenségét térnövekmény kíséri az egydimenziós rácsok völgyeiben, amelyet az Alzheimer-kórban felszaporodó béta-amiloid fehérje detektálására használtunk. Az MTA-SZTE Szupramolekuláris és Nanoszerkezetű Anyagok Kutatócsoporttal folytatott együttműködés keretén belül kimutattuk, hogy a fém nanorészecskékből felépülő aggregátumokon a sajátrezgések mellett a kivilágítási iránnyal hangolható rács-csatolt rezgések is megjelennek. A fény hullámhosszától függően az aggregátum kétpólusú antennaként, vagy négypólusú objektumként gerjeszthető. Ilyen módon az aggregátumokon alapuló bioszenzorokkal biomolekulák helyszelektív detektálása is megvalósítható.

 BAJOMI BÁLINT

 

2015/44