Významný krok v oblasti nanofotoniky se podařil vědcům ze Stanfordovy univerzity. Našli způsob, jak zvýšit intenzitu terahertzového elektromagnetického vlnění a zároveň ukázali další způsob, jak lze tyto vlny ovládat. Mezi autory jsou i dva vědci z Fakulty strojního inženýrství Vysokého učení technického v Brně, kteří k výzkumu dodali potřebný teoretický model a výpočty.
Radek Kalousek (vpravo) a Martin Hrtoň
Vědci svůj objev publikovali v prestižním časopise Science. Terahertzové vlnění může být v budoucnu zajímavé například pro vývoj komunikačních technologií.
Nanofotonika je obor, který se věnuje zkoumání, jak světlo interaguje s nanostrukturami, jejichž rozměry jsou na úrovni desítek až stovek nanometrů. „Teorie elektromagnetického pole byla dokončena v druhé polovině 19. století, kdy byla představa o libovolně malé dávce energie, kterou může látka pohltit či vydat. Pro oblast zkoumání elektromagnetického pole ve viditelné oblasti spektra se vžil název optika. Od začátku 20. století už víme, že energie pole se může přenést pouze v násobcích velmi malé ,dávky´ zvané foton. Představme si je jako takové balíčky energie, které můžeme předávat nebo dostávat z hmoty. Na této úrovni samozřejmě hrají roli i další kvantové jevy. V druhé polovině 20. století se postupně výzkum zaměřoval na čím dál menší oblasti, proto dnes této vědě říkáme nanofotonika,“ vysvětluje fyzikální inženýr z Vysokého učení technického v Brně (VUT) Radek Kalousek.
Jedno ze zajímavých témat nanofotoniky je narušit pomocí elektromagnetického pole „klid“ elektronů v kovech, v tomto případě šlo o zlaté nanostruktury obklopené oxidem titanu. Experimentální část publikovaného výzkumu je prací vědců ze Stanfordovy univerzity. Radek Kalousek a jeho kolega Martin Hrtoň byli na této prestižní americké škole před dvěma lety na stáži v týmu Marka Brongersmy. „Byla to úžasná zkušenost. Kolegové se nám hodně věnovali, panuje tam velmi otevřená atmosféra,“ chválí si Kalousek.
Brněnští fyzici před historickými budovami v centrální části kampusu Stanfordovy univerzity
Brzy se ukázalo, že zaměření hostujících vědců z VUT se velmi hodí: zatímco stanfordský tým je špičkou v oblasti experimentů, kolegové z Brna mohli přispět jako teoretičtí fyzikové svým know-how. „Náš podíl byl v oblasti teorie a modelování. Přemýšleli jsme, jak se elektrony chovají, jakým způsobem absorbují energii ze světla a co se s nimi děje dále,“ popisuje Kalousek. Právě díky tomuto pobytu jsou dnes brněnští fyzici součástí úspěchu, který otiskl prestižní časopis Science.
(Ne)viditelná vlna
Oblast nanofotoniky je pro experimentální zkoumání velmi náročná, protože problémem je zejména slabý signál. Laicky řečeno: výzkumníkům, kteří se snaží detekovat pouze několik fotonů, vstupují do měření různé parazitní šumy z okolí. V takto malých měřítkách se pak snadno stane, že signál, který hledají, v šumu zanikne.
Jedním z úkolů bylo pozorovat samotné elektrické pole v elektromagnetické vlně, což je poměrně obtížné. „Představte si, že ke stromu uvážete lano a druhý konec držíte v ruce. Pak rukou mávnete a vidíte, jak po laně běží vlna a vrací se vám zpět. To proto, že zákmit sledujete očima z hlediska světla ve velmi pomalé perspektivě. Zatímco samotné světlo, respektive elektromagnetické pole, kmitá tak rychle, že ve viditelné oblasti spektra nemáme přístroje, kterými bychom jeho výchylky sledovali. Můžeme pozorovat jen jeho důsledky – jako u zmíněného lana, kde byste se zavázanýma očima poznali, že se pulz vrátil, jedině tak, že vám lano cukne rukou,“ vysvětluje Kalousek.
Článek, který otiskl časopis Science, popisuje způsob, jak se s těmito problémy vyrovnat. „Kolegům ze Stanfordu se podařilo vymyslet, jak zvýšit intenzitu terahertzového vlnění. Zároveň mohou do jisté míry ovládat elektrický proud, který generuje terahertzovou vlnu, a to na úrovni hluboko pod difrakčním limitem. Tím lze dosáhnout efektu, který stávající metody neumožňují: nejenom, že jsme schopní mapovat průběh vlny, ale zároveň ji i prostorově tvarovat. A právě kontrola nad výslednou vlnou je skutečnost, která má i aplikační potenciál,“ popisuje fyzik Martin Hrtoň.
Článek v časopise Science je přístupný na webu zde.
Kalousek objevený způsob generování terahertzových vln označuje za velmi významný, ale jedním dechem dodává, že nadšení je zatím spíš „pouze pro fyziky“. „Cesta mezi základním výzkumem a aplikací je strašně dlouhá. V budoucnu by mohlo být zajímavé právě terahertzové vlnění, jež má tisíckrát vyšší frekvenci než gigahertz, který používají dnešní technologie například v počítačích. Vlnění by bylo možné využít ke zkoumání vlastností materiálů, případně pro přenos informací. Stále se ale pohybujeme v oblasti základního výzkumu,“ doplňuje kolegu Hrtoň.
Kromě úspěchu si dvojice brněnských vědců dovezla ze zámoří i novou perspektivu. „Strategie tamních vědců je taková, že se snaží své objevy publikovat v těch nejlepších časopisech. I když riziko, že to nedopadne, je větší, vynaložené úsilí je de facto stejné jako u průměrných titulů. A někdy to prostě vyjde. To by pro nás, myslím, měla být inspirace: nebojme se zkoušet co nejprestižnější vědecká fóra, buďme ambicióznější. Věřím, že pro to máme všechny předpoklady,“ uzavírá Kalousek.
Autor: Iveta Hovorková
Foto: archiv R. Kalouska, Iveta Hovorková
Zdroj: Vysoké učení technické v Brně
- Autor článku: ne
- Zdroj: Vysoké učení technické v Brně
