I år handlade det om ljus

Årets Nobelpris i fysik får väl sägas hamna i kategorin "alla känner till det". Sällan har väl ett fysikpris haft så direkt inverkan på folks vardag som de optiska fibrerna och CCD-detektorn.

Kinesen Charles K. Kao fick halva priset för att ha listat ut vad det var som begränsade hur långt man kunde skicka ljus genom en optisk fiber. Att glasfibrer kan användas för att leda ljus visste man redan på 1920-talet. Genom att ljuset totalreflekteras när det träffar en yta mellan ett optiskt tätt material (som glas) och tunnt material (t.ex. luft) i hög vinkel kan en stråle skickas genom en glasfiber även om den är böjd. Det är samma effekt som gör att en vattenyta ser ut som en spegel om man ser den underifrån. Men de tidiga fibrerna var inte tillräckligt genomskinliga; efter några tiotals meter återstod bara någon procent av ljuset som skickats in. Det duger inte för långväga kommunikation. Kao, som jobbade på Standard Telecommunication Laboratories i England räknade och mätte och kom fram till att det framförallt var orenheter i glaset som användes i de tidiga fibrerna som låg bakom den dåliga genomsläppligheten. Han föreslog därför att man skulle arbeta på att ta fram glas av ren kiseloxid, det som idag kallas kvartsglas. Kao insåg även att i tjocka fibrer får många olika svängningsmoder hos laserljuset plats. Även detta leder till spridningseffekter som begränsar hur långt man kan skicka signaler. Kao lyckade få gehör för sina idéer och utvecklingen av tunna glasfibrer i superrent glas där en tunn kärna med högt brytningsindex omges av glas med lite lägre brytningsindex utvecklades snart. Dessa singelmodfibrer är det som ligger till grunden för den fantastiska utvecklingen inom kommunikation vi sett de senaste decennierna. Den teoretiska gränsen för överföringshastighet i en optisk fiber ligger någonstans runt 12Tbit/s och även om vi än så länge bara kan utnyttja några procent av detta så är det ändå miljoner gånger mer än vad som är möjligt till exempel med radiovågor; det är inte konstigt att fibrerna är populära som informationsbärare. Idag används runt en miljard km optisk fiber för att skicka data jorden runt. När jag läste en kurs i fiberoptisk kommunikation för några år fick vi höra att runt om i världen lades ny fiber ut med ljudets hastighet, dvs ca 350 meter ny fiber varje sekund, dygnet runt.

Den andra delen av priset handlar också om ljus, men istället om hur man kan fånga det. CCD-detektorn har revolutionerat vetenskaper som astronomi, men även hur vi i vardagen ser på foto. En CCD är som alla vet detektorn i många kameror och gör jobbet att omvandla fotoner, ljuspartiklar, till elektroner som vi kan spara och behandla i våra datorer. Willard S. Boyle och George E. Smith som utvecklade CCDn arbetade på det legendariska Bell Labs när de fick idén efter timslångt brainstormingmöte. Det tog bara några veckor efter det tills den första prototypen tagits fram. Principen bygger på den fotoelektriska effekten som Einstein förklarade i en av sina artiklar från sitt annus mirabilis; när en ljuspartikel träffar ett material kan den slå loss en eller flera elektroner i materialet. Dessa kan man sedan detektera på olika sätt. En CCD består av en p-dopad kiselskiva (p-dopad innebär att ström leds av positivt laddade "hål" istället för elektroner) med en metalelektrod (gate). När en positiv spänning läggs på gaten trycks hålen bort och ett område kallat utarmningsomåde bildas. De elektroner som bildas när ljuset träffas detektorn "fastnar" i utarmningsområdet. Vanligtvis skulle elektronen snabbt träffa ett hål och förintas, men i utarmingsområdet, som fungerar som en brunn för elektroner, finns inga hål kvar. Därför kan man samla på sig elektroner där tills man är nöjd eller tills brunnen är full. Då kommer nästa trick bakom Nobelpriset. För att läsa av hur många laddningar som samlats i varje brunn flyttar man dem rad för rad till kanten av detektorn där de i en speciell läsrad flyttas vidare till en A/D-omvandlare som gör om antalet laddningar i varje brunn till en digital signal. Med hjälp av speciell mjukvara kan man sedan återskapa bilden från detektorn och spara den i digital form.

Det som framförallt gjort att CCDn revolutionerat vetenskap som astronomi är inte bara fördelen att bilden lagras digitalt utan även att CCD är oerhört känslig, därtill känslig för alla färger, från långvågigt infrarött till extremt kortvågigt röntgenljus. Idag är alla teleskop utrustade med CCD-detektorer och rymdteleskop hade inte varit möjligt utan dem. Kepler har en detektor med nästan 100 miljoner pixlar, men att tänka på innan du köper nästa kamera för att hänga med i megapixelracet är Hubble-teleskopet ursprungligen var utrustat med en 2,5MP-detektor - mindre än de flesta mobiltelefoner idag.

Värt att nämna i sammanhanget är hur årets priser verkligen illustrerar principen om att stå på jättars axlar. De optiska fibrerna hade inte fungerat om det inte varit för utvecklingen av lasern (NP 1964) och halvledarlasern (NP 2000). Och CCDn bygger på halvledarteknik (NP 1956) och integrerade kretsar (NP 2000) utan vilket vi inte haft datorer heller.

Andra bloggar om: Nobelpriset, fysik, vetenskap, CCD, optiska fibrer.