Cenu rovným dílem získali Japonci Isamu Akasaki, Hiroshi Amano a Shuji Nakamura. První dva zmínění vědci stále působí v Japonsku, Nakamura odešel za poměrně dramatických okolností na přelomu tisíciletí do USA, když se dostal do vleklého právního sporu se svým zaměstnavatelem.
Na začátku 90. let jejich práce vedla k vytvoření fungující světelné diody vydávající modré světlo. Kombinací s již dříve existující technologií zelených a červených diod se tak poprvé naskytla možnost vytvořit bílé LED světlo. Tento objev spustil zásadní technologickou změnu, kterou dnes můžeme vidět prakticky na každém kroku.
20 let „marné“ snahy
Práce všech vědců je spojena především s jedním materiálem: nitridem gallia (GaN). To je krystalický polovodičový materiál, který je základem modrých svítivých diod. Práce s ním byla nezbytná, protože materiály používané pro diody s červeným a zeleným světlem (hlavně sloučeniny gallia, arzénu a fosforu) nešlo totiž upravit tak, aby vydávaly modré světlo.
Jak je to s „ledkou“LED (anglická zkratka Light-Emitting Diode – dioda emitující světlo) je polovodičová elektronická součástka, jejíž vlastností je schopnost vyzařovat světlo, případně infračervené nebo ultrafialové záření. Tím se liší od standardních diod. Diody LED se používají v mnoha zařízeních pro světelnou signalizaci (kontrolky, displeje) a stále častěji pro osvětlování. Jde o elektronickou polovodičovou součástku obsahující přechod P-N. Oficiální český název je elektroluminiscenční dioda. Dále se možno setkat s pojmenováními jako světelná dioda, svítivá dioda, ojediněle svítivka. Slangově se nazývá ledka. Zdroj: Wikipedia |
Krystalická struktura GaN byla popsána už roku 1937 a na začátku 70. let se z něj podařilo vyrobit jednoduchou modrou diodu. Pak ovšem přišly potíže. Zjistilo se, že materiál se nedaří připravit v dostatečné kvalitě. Velké firmy, které se o vývoj diod snažily, svou snahu jedna po druhé vzdávaly.
Jedním z mála, kteří vydrželi, byl jeden z letošních oceněných, Isumu Akasaki z Nagojské univerzity, který se dvě desítky let věnoval zdolávání technologických potíží spojených právě s vytvářením vhodných GaN vrstev. Fyzik Jan Valenta se v časopise Vesmír svého času obdivoval tomu, jak Akasaki dokázal po tak dlouho dobu shánět peníze na zdánlivě beznadějný výzkum, ale to je možná dané stabilní, někdy až strnulou strukturou japonského výzkumu a jeho financování.
Akasakimu se sice nepodařilo vyřešit všechny problémy, ale publikace jeho týmu, ve kterém byl i Hiroshi Amano, pomohly připravit cestu dalšímu letošnímu laureátovi Shuji Nakamurovi z firmy Nichia Chemicals. Ten dokázal světu představit zářivě jasnou modrou diodou (1993) a později také polovodičový laser (1995). Obojí bylo vytvořeno na základě složitého sendviče GaN „obohaceného“ o stopové množství dalších prvků (v daném případě india a hliníku). Také Nakamura projevil značnou tvrdohlavost: vedení firmy jeho projekty dlouho podporovalo, ale v případě modrých diod mu v podstatě nařídilo, aby snahu vzdal. Výzkumník ovšem rozhodnutí ignoroval a v podstatě sám (výzkumné oddělení sestávalo ze čtyř lidí, a to včetně Nakamurova šéfa) nakonec dotáhl výzkum ke zdárnému konci.
Nakamura za vytvoření modré diody získal finanční prémii ve výši odpovídající zhruba 180 dolarům. V roce 2001, když už bylo naprosto nepochybné, jak velkou změnu technologie znamená, zažaloval svého bývalého zaměstnavatele o adekvátní náhradu. Soud to zamítl, ale v roce 2005 se obě strany dohodly na odměně ve výši přes 9 milionů (dnešních) dolarů. Proces mimo jiné zdůraznil, že vynálezci mají nárok na adekvátní odměnu za svůj objev a podíl z jeho celkového přínosu společnosti, i když jsou „jen“ zaměstnanci své firmy.
Laureáti Nobelovy ceny za fyziku 2014 za objev modrých LED diod. Zleva: Japonci Isamu Akasaki, Hiroši Amano a Američan Šudži Nakamura.
LED - vrchol řetěžce
Díky práci tří letošních nobelistů mohly svítící diody naplno předvést své výhody proti jiným druhům osvětlení: mají vyšší účinnost, malé rozměry a vlastnosti produkovaného světla lze snadno měnit a ovládat.
Klasické žárovky (správně „tepelné zářiče“) dosahují účinnosti přeměny elektrické energie na světelnou pouze kolem 20 lumenů na watt (lm/W). Zářivky (tedy fluorescenční lampy) mají už účinnost několikrát vyšší (cca 80 lm/W), ale zato vyžadují složitý napájecí zdroj, jinak velmi trpí jejich životnost. Svítící diody dosahují účinnosti zářivek (a mají potenciál je výrazně překonat), ale přitom mají jednoduché napájení, dlouhou životnost a nízkou výrobní cenu.
LED technologie se blíží teoretickému fyzikálnímu limitu v osvětlování vůbec (zjednodušeně řečeno tedy hranici, kdy za jeden elektron do „žárovky“ získáte jednu částici světla, tedy jeden foton). V současné době je účinnost kolem 50 procent teoretického maxima, takže prostor ke zlepšení není příliš velký.
Neznamená to, že se technologie nemůže dále vyvíjet. V posledních letech se stále mírně zvyšuje účinnost a především snižuje cena. Také dochází k dílčím posunům: dnes například řada „bílých“ diod jsou ve skutečnosti jasně modré diody opatřené tenkou vrstvou fosforu. Část modrého světla se v ní mění na žluté světlo, a tak vzniká ve výsledku bílá. Podle množství fosforu lze vytvářet odlišné barevné tóny. Do budoucna (tedy hlavně s dalším poklesem ceny) by mohl zcela převládnout druhý způsob vytváření bílého světla složením tří diod (modré, zelené, červené), který umožňuje teplotu světla měnit přímo během provozu.
Loňský nobelista měl slavit v Praze
V loňském roce bylo udělení Nobelovy ceny za fyziku spojeno se zřejmě nejvýznamnějším fyzikálním objevem posledních několika let. Za podíl na objevu subatomární částice zvané Higgsův boson ji získali Brit Peter Higgs a Belgičan Francois Englert.
Existenci Higgsova bosonu sice až v roce 2013 potvrdily experimenty v obřím urychlovači Evropské organizace pro jaderný výzkum (CERN), ale její existenci v 60.letech teoreticky předpovědělo hned několik vědeckých prací. Vzhledem k podmínkám udělování Nobelových cen kolektiv z CERNu jako takový cenu dostat nemůže (musí se udělit jednotlivcům). A vybrat z několika tisíc fyziků pracujících na projektu nějakého jednotlivce je mírně řečeno obtížné.
Vybíralo se tedy z teoretiků. Existenci tzv. Higgsova pole a jeho částice, tedy Higgsova bosonu, poprvé předpověděli teoretičtí fyzikové v několika po sobě rychle následujících článcích, uveřejněných během druhé poloviny roku 1964 (v časopisech Physical Review Letters a Physics Letters). Pod jednou studií byli podepsáni Francois Englert a Robert Brout, pod další Peter Higgs. Své želízko v ohni měli také Gerald Guralnik, Carl Hagen a Tom Kibble. Všichni byli kandidáty, tedy s výjimkou Roberta Brouta, který bohužel zemřel.
Nakonec se však ukázal jako správný tip agentury Reuters na základě počtu citací, že cenu si rozdělí právě 84letý Higgs a belgický teoretický fyzik François Englert. Kromě prestižní medaile a diplomu si dohromady odnesli i osm milionů švédských korun (téměř 24 milionů korun).
Peter Higgs měl v pondělí 6. října přiletět do Prahy, v úterý měl být na tiskové konferenci a ve středu mít přednášku pro veřejnost v Kongresovém centru v rámci konference „Evropský den vědy“. Bohužel onemocněl a návštěva byla na poslední chvíli zrušena.
