A holográfia története I.

A fizika és az alkalmazott műszaki tudományok az 1800-as évek második felében nagy lendületet vettek és az 1900-as évek első negyedére, a technológia finomodásával egyre pontosabbá vált az anyagmegmunkálás, többek közt egyre precízebb optikai és finommechanikai berendezéseket tudtunk gyártani. A mikrovilág felderítésében az ezáltal várt technikai áttörés azonban elmaradt. Az egyre jobb berendezéseinkkel beleütköztünk egy olyan korlátba, amit nem lehetett az anyagmegmunkálás finomságának növelésével átlépni.

A fénymikroszkópiában elértek egy olyan határt, ahol a részletek felbontását már nem tudták tovább finomítani, a kép kontrasztszegénnyé vált és szétesett. Ennek oka a vizsgálatra használt (az információt szállító) fényhullámok természetében keresendő. Világossá vált, hogy bármilyen technikai tökéletesítés révén sem lehet a fénymikroszkóp felbontási határát kitolni, nem lehet ~200 nm-es határ alatt részleteket megjeleníteni. Így például, elérhetetlen egy sejt belsejének fénymikroszkópos megismerése. Ennek elsődleges oka a diffrakciós (fényelhajlási) jelenség, ami a fény hullám-természetéből fakad.

A fényelhajlás jelensége

Mindaddig, amíg a hullám útjába kerülő anyagi részecske geometriai mérete jóval nagyobb, mint a hullám hossza, nem tapasztalunk ilyen jelenséget. Tehát ez a makrovilág tárgyain ritkán tudjuk megfigyelni. Amikor egy fénysugarat egyre kisebb résen vezetünk át, lesz egy méretkorlát, amikor a fénysugár elkezd szóródva irányokra bomlani, gyűrűszerű csíkozódás jelenik meg a rés túloldalán, a rajzolt képen. A méretkorlát a rés és a fényhullám hosszának arányában keresendő. Amikor a nyílás geometriai átmérője a fény hullámhosszával összemérhető tartományba kerül, megjelennek a diffrakciós vonalak.

Résdiffrakció. (forrás: wikipedia)

A fényelhajlás jelenségét először Francesco Maria Grimaldi írta le – a halála után – 1665-ben megjelent könyvében. Grimaldi használta a jelenségre a latin difringere kifejezést – jelentése darabokra törni – a különböző irányokra bontott fényre utalva.

A jelenség első hullámtani magyarázata Thomas Young és Augustin-Jean Fresnel nevéhez köthető. Young 1803-ban mutatta be híres két-rés kísérletét, ami a fény hullámtermészetének bizonyítéka volt. Fresnel részletesebb matematikai meggondolásokkal szolgált 1815-ben, Joseph von Fraunhofer 1821-ben már diffrakciós optikai rácsot tervezett és készített a spektroszkópjához, amivel a napfény spektrumát vizsgálta.

Az elhajlás egzakt matematikai leírását a hullámegyenlet megoldásával Gustav Robert Kirchhoff adta meg. Kirchhoff leírása jól alá támasztotta a korábbi hullámoptikai modelleket, mind Huygens, Young, Fresnel és Fraunhofer értelmezését. A Huygens-Fresnel-elv értelmében egy hullámfelület minden pontja elemi hullámok kiindulópontja is egyben. Az elv kimondja továbbá, hogy a hullámtérben megfigyelhető hatást az adott hullámfelületből kiinduló koherens elemi hullámok interferenciája határozza meg. A diffrakció részletesebb fizikai magyarázatáról itt lehet olvasni.

Diffrakció apró lyukon (forrás: wikipedia)

Légköri diffrakció, ellenfényben, nagy nagyításon. (wikipedia)


A fénymikroszkóp esetén elért korlátot megkerülendő, elkezdtek más frekvenciák irányába kutatni. Louis de Broglie már 1924-ben leírta, hogy minden mozgó elemi részecske hullám természettel is rendelkezik. Tehát a mozgó részecsketömeghez egy rezgés és frekvencia is rendelhető. Mivel az elektronok hullámhossza sokkal kisebb, mint a látható fényé, kézenfekvő volt, hogy használata a mikroszkópiában sokkal finomabb felbontást tesz majd lehetővé. Az elektronsugár előállítása az akkor már széles körben használt elektroncsövekben és katódsugár csövekben (TV képcső) megoldott volt. Az elektronmikroszkóp működését demonstráló berendezést – az első négyszázszoros nagyítású prototípust – Ernst Ruska német fizikus mutatta be 1931-ben (amiért 1986-ban kapott Nobel díjat).

Már az első működő elektronmikroszkópok is túlhaladták a fénymikroszkópok képfelbontó és nagyító képességeit, de az elektronsugarak esetén ugyanúgy fellép a diffrakció jelensége (bár kisebb méretek tartományában), mint ahogy a fényhullámoknál tapasztalható. Ezzel a problémával egy magyar fizikus, Gábor Dénes kezdett foglalkozni. Azt remélte, hogy az elektronmikroszkóppal elérhetővé válik az atomrácsok mérettartományának leképezése. Gábor 1947-ben a British Thomson-Houston Társaság kutatólaboratóriumában az elektronmikroszkóp képalkotó rendszerének tökéletesítésén dolgozott, amit ugyan nem sikerült elérnie, viszont egyik ötletéből korszakalkotó felfedezés született.

* * *

Ajánlott irodalom, források:
Diffrakció, Fényelhajlás, Elektronmikroszkóp, Interferencia, A fény, Részecskék hullám természete