Leo Esaki, vlastným menom Reona Esaki, je významný japonský fyzik narodený 12. marca 1925 v Osake. Preslávil sa ako objaviteľ tunelovacej diódy – polovodičového komponentu, ktorý ako prvý využil kvantový jav tunelovania v praxi. Tento objav realizoval v roku 1957 počas svojho pôsobenia v spoločnosti Tokyo Tsushin Kogyo (neskôr Sony), kde pracoval na výskume silne dotovaných PN prechodov. Tunelovanie, dovtedy iba teoreticky predpokladané v rámci kvantovej mechaniky, sa tak po prvýkrát potvrdilo experimentálne. Jeho výskum mal zásadný vplyv na vývoj vysokofrekvenčnej elektroniky a kvantových zariadení. V roku 1973 získal Nobelovu cenu za fyziku, ktorú si rozdelil s Ivarom Giaeverom a Brianom Josephsonom za ich spoločné príspevky k pochopeniu tunelovacích javov v polovodičoch a supravodičoch.

Leo Esaki v roku 1959

Štúdia a akademický vývoj

Esaki sa narodil v Takaida-mura, Nakakawachi-gun, prefektúra Osaka (dnes súčasť mesta Higašiósaka) a vyrastal v Kjóte. Navštevoval strednú školu Doshisha Junior High School, neskôr Tretiu vyššiu školu. V roku 1947 získal Leo Esaki titul bakalára v odbore fyzika na prestížnej Tokijskej univerzite, ktorá bola centrom japonského vedeckého výskumu. Esaki získal titul bakalára v roku 1947 a doktora v roku 1959 na Tokijskej univerzite (UTokyo).  Po absolvovaní univerzity nastúpil do výskumného oddelenia spoločnosti Tokyo Tsushin Kogyo (neskôr premenovanej na Sony), ktorá sa v tom období začínala orientovať na vývoj elektronických technológií. Esaki sa v tejto spoločnosti venoval výskumu polovodičových materiálov, predovšetkým silne dotovaných PN prechodov v germániových a kremíkových štruktúrach. Polovodiče boli v tom čase považované za prielomovú oblasť elektroniky s potenciálom nahradiť vákuové elektrónky, čo viedlo k sústredeniu rozsiahlych investícií a vedeckých kapacít na ich výskum a vývoj.

Objav tunelovej diódy a tunelového javu

V rokoch 1947 až 1960 bol Esaki zamestnancom spoločností Kawanishi Corporation (teraz Denso Ten) a Tokyo Tsushin Kogyo (teraz Sony). V roku 1957 publikoval Leo Esaki v renomovanom časopise Physical Review výsledky svojich experimentov, v ktorých demonštroval existenciu tunelového javu v polovodičových PN prechodoch. Tento jav spočíval v pozorovaní nezvyčajnej prúdovo-napäťovej charakteristiky: v určitom rozsahu napätia dochádzalo k poklesu prúdu so zvyšujúcim sa napätím, čo sa prejavovalo ako negatívny diferenciálny odpor. Vysvetlenie tohto správania vychádzalo z kvantovo-mechanického princípu tunelového javu – procesu, pri ktorom elektróny prechádzajú cez potenciálovú bariéru bez potreby jej klasického prekonania. Tento prelomový objav viedol k vývoju tunelovej diódy (známej aj ako Esakiho dióda), prvej polovodičovej súčiastky založenej na kvantovom jave, ktorá sa vďaka svojim vysokofrekvenčným vlastnostiam uplatnila v oblasti oscilátorov, zosilňovačov a prepínačov.

Tunelová dióda 1N3716 (s 0,1“ prepojkou pre porovnanie)

Tunelové díody sa stali dôležitými komponentmi vo vysokofrekvenčných obvodoch, oscilátoroch a častiach logických obvodov. Esakiho práca nielenže otvorila novú kapitolu v oblasti polovodičov, ale aj preukázala praktické dôkazy kvantovo-mechanického tunelovania v pevnej látke.

Kariéra v zahraničí a pokračovanie výskumu

V roku 1960 sa Leo Esaki presťahoval do Spojených štátov amerických, kde prijal výskumnú pozíciu vo výskumných laboratóriách spoločnosti IBM v Thomas J. Watson Research Center. V rámci IBM sa zameral na ďalší výskum kvantových javov v polovodičových materiáloch, ako aj na vývoj nových typov polovodičových súčiastok využívajúcich tunelovanie. Jeho výskum bol zameraný na extrémne tenké vrstvy a rozhrania medzi rôznymi polovodičovými materiálmi.

V priebehu 70. rokov sa Esaki stal priekopníkom v oblasti tzv. supermriežok (superlattices) – periodických nanoštruktúr vytvorených striedaním extrémne tenkých vrstiev rôznych polovodičových materiálov, ako napríklad GaAs a AlAs. Tieto štruktúry umožňovali kontrolu elektronových vlastností na kvantovej úrovni, čo otvorilo cestu k vzniku nových typov polovodičových laserov, kvantových dobre (quantum wells), a tranzistorov s vysokou pohyblivosťou elektrónov (HEMT). Výsledky jeho práce položili základy pre vývoj kvantových viacvrstvových štruktúr (presnejšie kvantových dier (quantum wells), supermriežok a ďalších polovodičových nanosústav) a mali zásadný vplyv na nástup nanotechnológie a kvantovej elektroniky v nasledujúcich desaťročiach.

Ocenenia a uznanie

Za experimentálne preukázanie existencie tunelového javu v polovodičoch a vývoj tunelovej diódy bol Leo Esaki ocenený Nobelovou cenou za fyziku v roku 1973. Nobelovu cenu zdieľal s Ivarem Giaeverom, ktorý objavil tunelovanie elektrónov v supravodičoch, a Brianom D. Josephsonom, ktorý teoreticky predpovedal tzv. Josephsonove tunelovacie javy medzi dvoma supravodičmi. Nobelov výbor týmto ocenil prelomové príspevky troch vedcov k pochopeniu kvantového tunelovania v rôznych fyzikálnych systémoch. Esakiho práca bola prvým experimentálnym dôkazom kvantového tunelovania v polovodičových štruktúrach a položila základ pre novú generáciu elektronických zariadení, založených na kvantových javoch.

• 1959 - Nishina Memorial Prize
• 1960 - Cena Asahi
• 1961 - medaila Stuarta Ballantina
• 1965 - Cena Japonskej akadémie
• 1973 - Nobelova cena za fyziku
• 1974 - Rad kultúry
• 1985 - Cena Jamesa C. McGroddyho za nové materiály
• 1989 - Cena Harolda Pendera
• 1991 - Čestná medaila IEEE
• 1998 - Japonská cena
• 1998 - Veľký kordón Rádu vychádzajúceho slnka
• 2001 - čestný doktor Hongkongskej univerzity vedy a techniky
• 2007 - čestný profesor Národnej univerzity Tsing Hua

Členstvo v učených spoločnostiach

• 1960 člen Americkej fyzikálnej spoločnosti
• Fyzikálna spoločnosť Japonska
• 1975 - člen Japonskej akadémie
• 1976 - zahraničný spolupracovník Národnej akadémie vied
• 1977 - zahraničný člen Národnej akadémie inžinierstva
• 1989 - člen Spoločnosti Maxa Plancka
• 1991 - člen, Americká filozofická spoločnosť
• 1994 - zahraničný člen, Ruská akadémia vied
• 1995 - čestný zahraničný člen Kórejskej akadémie vied a technológií
• 1996 - člen, Accademia dei Lincei

Esaki bol taktiež členom viacerých prestížnych vedeckých spoločností a akadémií, vrátane National Academy of Sciences (USA) a Japan Academy.

Návrat do Japonska

Po ukončení aktívneho pôsobenia v IBM sa Leo Esaki v 90. rokoch vrátil do Japonska, kde pokračoval vo vedeckej a organizačnej činnosti. V roku 1992 bol vymenovaný za prezidenta University of Tsukuba, jednej z najprestížnejších japonských výskumných univerzít, kde sa zaslúžil o modernizáciu výučby v oblasti fyziky a inžinierstva. Následne pôsobil ako prezident vládnej organizácie Science and Technology Agency (STA), ktorá mala za úlohu koordinovať a podporovať vedecký výskum na národnej úrovni. Počas svojho pôsobenia v STA presadzoval strategické investície do nanotechnológií a kvantovej elektroniky, čím pomohol Japonsku udržať si pozíciu svetového lídra vo výskume polovodičov. Okrem toho sa aktívne zapájal do popularizácie vedy v médiách, podporoval programy pre nadané deti a mladých vedcov, a stal sa mentorom viacerých významných japonských fyzikov a inžinierov.

Odkaz a dedičstvo

Leo Esaki je široko uznávaný ako jeden z hlavných zakladateľov modernej kvantovej elektroniky a priekopník v aplikácii kvantových javov do praktickej elektroniky. Jeho objav tunelového javu v polovodičoch a následný vývoj tunelovej diódy položili základy pre celú oblasť vysokofrekvenčných polovodičových súčiastok. Tento objav zásadne ovplyvnil vývoj mikroelektroniky, najmä v oblasti oscilátorov a prepínačov pracujúcich vo vysokých frekvenciách.

Neskoršie Esakiho práce v oblasti kvantovo-mechanických štruktúr, ako sú supermriežky a kvantové jamy, priamo prispeli k nástupu nanotechnológie a konštrukcii zariadení umožňujúcich inžiniersky návrh pásových štruktúr a kontrolu transportu elektrónov na nanometrickej úrovni. Tieto princípy sa dnes uplatňujú pri výrobe tunelovacích tranzistorov, polovodičových laserov, kvantových bodov (quantum dots) a tranzistorov s vysokou pohyblivosťou elektrónov (HEMT), ktoré sú základom moderných mobilných sietí, senzoriky, výpočtovej techniky a kvantového výskumu.

Jeho meno ostáva navždy zapísané v dejinách fyziky ako príklad vedeckej odvahy a vizionárstva.

Esaki, L. (1958). "New Phenomenon in Narrow Germanium p-n Junctions". Physical Review

---

---

---