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.

– 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