Premiul Nobel pentru Fizică 2009
Convorbire cu acad. Valentin I. Vlad
– Premiul Nobel pentru fizică a fost acordat pentru descoperiri care au contribuit la revoluția tehnologiilor informaționale. Charles K. Kao a revoluționat domeniul fibrelor optice; Willard S. Boyle și George E. Smith au inventat primii senzori digitali de imagine, numiți „CCD“ (Charge-Coupled Devices), care au revoluționat fotografia și imagistica. Au făcut-o în urmă cu aproape 40 de ani și astăzi sunt folosite curent. Nu este cam târzie această recunoaștere?
– Nu, la fel ca și în cazul laserilor, de la descoperire și până la servicii imense aduse umanității, așa cum gândea Alfred Nobel, este un drum destul de lung.
– Vă propun o scurtă prezentare și să începem cu transmisia informațiilor prin fibre optice.
– Până în anii ’65, fibrele optice se utilizau mai ales în domeniul medical, de exemplu în investigații neinvazive sau pentru iluminare în timpul operațiilor. Aveau însă un dezavantaj. La propagarea pe cca. 10 metri de fibră, semnalul optic transmis se micșora foarte mult, ajungând la circa o sutime din semnalul de la intrare. Kao studia cum ar trebui să fie o fibră optică cu o lungime de un kilometru pentru a avea atenuări similare sau mai mici.
– Care a fost soluția?
– El a observat că atenuarea se datora nu atât structurii fibrei, cât materialului din care era fabricată – sticla optică. Transmisia cu pierderi mici necesita sticlă foarte pură și astfel s-a ajuns la utilizarea cuarțului (bioxid de siliciu) pur. Aparent, e ceva simplu, dar aceste „lucruri simple“, odată observate și analizate, duc la realizări importante. Cuarțul era folosit în special în componentele optice pentru domeniul ultraviolet, dar fibre nu se trăgeau din el, deoarece temperatura sa de topire este relativ ridicată, cca. 2000 de grade, și procesul de fabricație era atunci greu de controlat.
– Să urmăm traseul…
– În 1966, Ch. Kao și-a publicat rezultatele cercetărilor împreună cu G.A. Hockham, imaginând și utilizarea acestora în transmisiunea informației. În scurt timp, rezultatele lor au fost preluate de reputata firmă Corning Glass (SUA), care a obținut primele fibre optice performante din cuarț dopat (impurificat) controlat, cu transmisii de peste 95%/km (de la cca. 5%/km). Această activitate a fost dublată de descoperirea unor laseri cu semiconductori cu puteri suficient de mari, pentru care s-a acordat un Premiu Nobel în Fizică profesorului Z. Alferov, în anul 2000. Cuplarea celor două descoperiri a făcut posibilă transmisia informației la distanțe mari și la frecvențe foarte înalte. În 1988, s-a instalat primul cablu optic între SUA și Europa pe o distanță de 6.000 km. Astăzi, circa un miliard de km de fibră optică transmit informațiile societății bazate pe cunoaștere, între continente, între orașe și între clădiri. Fibra optică intră în multe locuințe moderne. Sateliții, avioanele și navele sunt cablate optic.
– Alte beneficii ale acestei tehnologii?
– Cablurile cu fibră optică au înlocuit, în mare majoritate, cablurile din cupru pentru că sunt mai ușoare, mai flexibile, sunt rezistente mecanic, practic imune la perturbațiile electromagnetice (descărcări electrice, bruiaj radio ș.a.) și ieftine.
– Putem aștepta și alte performanțe?
– Sigur că da. De exemplu, capacitatea actuală a sistemelor de comunicații optice, de cca. 500 miliarde de biți pe secundă, poate fi dublată în viitorul apropiat, și aceasta nu este încă limita posibilităților pe care le oferă frecvențele optice.
– Să trecem la tehnologia fotografiilor digitale și ea intrată în viața cotidiană.
– Prin anii ’69, dr. Willard S. Boyle și George E. Smith au imaginat un „ochi optoelectronic“, un senzor de imagine. A fost o întâmplare, pentru că ei cercetau modul în care poate fi citită o memorie care astăzi nu mai e de actualitate, dar care le-a folosit pentru citirea datelor din senzorul de imagine. Au imaginat un senzor, sub forma unei matrice de fotodetectori (ca o tablă de șah), în care fiecare fotodetector genera pachete de electroni, proporționale numeric cu intensitatea luminii incidente. Așadar, imaginea era eșantionată de matricea de fotodetectori, fiind transformată într-o matrice de sarcini electrice cuplate. Fiecare fotodetector din matrice reprezintă un element de imagine, numit pixel, noțiune folosită azi curent în camerele video sau în imaginile de pe Internet. Calitatea imaginii crește cu numărul de fotodetectori. Problema de rezolvat era citirea acestor mici sarcini electrice acumulate în matricea de fotodetectori.
– Care a fost soluția?
– Boyd și Smith au propus ca această matrice să fie citită linie cu linie și sarcinile cuplate să fie golite la momente de timp bine stabilite într-o memorie electronică. În acest proces, memoria transforma „tabla de șah“ cu sarcini într-un șir de impulsuri riguros ordonat în timp. Acest șir intra într-un dispozitiv transformator al sarcinilor în tensiune electrică, care este apoi digitalizată. În final, imaginea se transformă într-o serie de numere proporționale cu numărul de electroni din fiecare pachet și codate în impulsuri binare, 1 și 0. Refacerea imaginii pe afișor (display) urmează procesul în ordine inversă și suficient de rapid pentru ca ochiul uman să nu perceapă caracterul discret spațio-temporal al imaginii.
– Mai departe?
– În 1970, Boyle și Smith au construit o cameră fotografică digitală cu parametri relativ modești, care a fost utilizată în primele experimente făcute la NASA și chiar la aselenizări. În 1975, ei realizau o cameră digitală cu o rezoluție suficient de bună pentru televiziunea din acei ani. Dezvoltarea a continuat și au apărut senzorii color. Abia în 1995 a apărut însă prima cameră fotografică digitală completă, color, cu rezoluție înaltă, capabilă să poată înlocui camera fotografică cu film. Astăzi, camerele „CCD“ se găsesc în majoritatea telefoanelor mobile și calculatoarelor. Sensibilitatea lor este mai mare decât sensibilitatea filmului fotografic sau a ochiului uman. Fără ele, nu se poate imagina observarea spațiului cosmic, fotografiile de la marile observatoare astronomice și din misiunile spațiale. În afară de aceasta, toată imagistica medicală utilizează camere „CCD“, care acoperă nu numai spectrul vizibil al undelor electromagnetice (pentru om), ci și domeniile spectrale infraroșii, ultraviolete și X. Aceste tehnologii au oferit omului posibilitatea de a „vedea“ în domenii în care era orb, în locuri în care nu putea ajunge sau în care viața sa era pusă în primejdie.
– Care sunt preocupările și performanțele cercetării românești în aceste domenii?
– Cercetarea noastră științifică în domeniu a avut și are un nivel bun, în pofida resurselor limitate. De exemplu, în cadrul unui program de realizare a fibrelor optice, am conceput, în IFA, metode și aparate de măsurare a fibrelor optice, care controlau precis parametrii acestora. În 1985, le-am patentat și o parte din rezultatele noastre au fost publicate în reviste din țară și din SUA, ceea ce proba nivelul lor științific. Am obținut rezultate bine cotate și în realizarea unor laseri cu fibre optice neliniare, și în crearea unor fibre optice cu ajutorul luminii laser în cristale neliniare. Cercetăm și folosim laseri în fibre optice, cu durate ale impulsurilor de sub a milioana parte dintr-o milionime de secundă, cele mai scurte impulsuri care se pot realiza controlat în lumea fizică. Utilizăm senzorii CCD în holografie și în aparate moderne de analiză a fasciculelor laser. Multe dintre aceste rezultate se obțin în cadrul unor proiecte și rețele de excelență de fotonică ale Uniunii Europene și își găsesc aplicații în tehnologiile informației, în medicină ș.a.
