Náš cíl? Mikroskop snímající ultrarychlá elektronová videa

Fyzik Martin Kozák z Matematicko-fyzikální fakulty UK získal prestižní ERC Starting Grant na výzkum nových možností elektronové mikroskopie, které dovolí snímat pohyb elektronů v látkách s vysokým prostorovým i časovým rozlišením. „Chceme vyvinout nástroj pro výzkum nových materiálů pro rychlejší elektroniku a přenos informací,“ říká vědec, jemuž byla inspirací zahraniční zkušenost a k úspěchu pomohla i rodičovská dovolená. Na vybudování svého výzkumného týmu získal podporu několika desítek milionů korun.

„‎Pokud se vše povede, tak na konci projektu budeme mít elektronový mikroskop, který dokáže zobrazovat studované materiály s vysokým prostorovým a časový rozlišením – zjednodušeně řečeno, natáčet videa, jak se v látkách pohybují elektrony v čase, což dosud nebylo možné,“ shrnuje hlavní cíl pětiletého projektu doktor Martin Kozák, jenž na tento složitý základní výzkum obdržel od Evropské výzkumné rady (ERC) přesně 1,83 milionu eur, tedy přes 45 milionů korun.

Současné elektronové mikroskopy poskytují pouze statické obrázky, nelze pozorovat, jak se studovaný vzorek dynamicky vyvíjí v čase. „Elektrony se v elektronových mikroskopech chovají jako vlny, které lze ovládat elektrickými a magnetickými poli. Současné možnosti manipulace ale mají řadu limitů. Elektronová optika je například zatížena vadami zobrazení, které je složité odstraňovat. My plánujeme elektronové vlny ovládat pomocí tvarovaných světelných vln ve vakuu. Díky tomu budeme moci sledovat dynamické procesy s vysokým rozlišením v řádech nanometrů a femtosekund,“ popisuje čerstvý držitel grantu.

Výzkum pro rychlejší elektroniku i přenos informací

Proč potřebujeme lepší mikroskop? Umožní totiž studovat základní parametry interakce světla s látkou, které se v běžném životě odehrávají neustále. Třeba na displeji mobilního telefonu, kde jsou zdroje světla a modulátory, jež umožňují, že vidíme zobrazenou informaci.

„Neustále roste poptávka po výkonnějších a lepších optoelektronických součástkách a rychlejších způsobech, jak přenášet a zpracovávat informace. Jednou z možností, jak toho dosáhnout, je použití nanofotonických součástek vyrobených na bázi nanostruktur z různých materiálů. Pro výzkum takových materiálů ovšem potřebujeme mít nástroj, který umožní dané interakce zobrazovat s dostatečným časovým a prostorovým rozlišením, a to zatím nebylo možné,“ vysvětluje oceněný fyzik možný přínos i praktické využití tohoto základního výzkumu.

Optické lego a inspirace ze zahraničí

Velká část bádání se odehrává u počítače, kde vědci analyzují naměřená data nebo plánují další experimenty. Když se ale dostanou do laboratoře, vypadá jejich výzkum jako velmi precizní stavění stavebnice. „Máme mnoho mechanických součástek, do nichž s vysokou přesností umisťujeme optické elementy, tak aby vše fungovalo, jak potřebujeme. Je to takové optické lego,“ přirovnává Martin Kozák.

Kde se takový vědecký námět zrodil? „Prvotní nápad vznikl již v roce 2015, kdy jsem odešel na postdoktorský výzkumný pobyt do německého Erlangenu. Tam jsem se začal věnovat fyzice interakce volných elektronů se světlem v elektronových mikroskopech,“ vysvětluje absolvent Matfyzu. Začínal u ultrarychlé laserové spektroskopie věnující se měření optické odezvy materiálů v čase (na studovaný vzorek se například posvítí krátkým optickým pulsem a měří se, jaké světlo a jak dlouho studovaný materiál vyzařuje, což umožňuje charakterizaci optoelektronických materiálů – pozn. red.), která využívá femtosekundové lasery jako nástroj pro generování ultrakrátkých světelných záblesků.

„Skupina, ve které jsem v Německu působil, se snaží vyvíjet urychlovače elektronů na bázi interakce elektronů se světlem v podobě blízkého pole nanostruktur. Začal jsem proto přemýšlet, zda by elektrony nebylo možné ovládat pomocí světelných vln ve vakuu bez nutnosti používat nanostruktury. Již v rámci pobytu v Německu jsme provedli první experimenty, které se podařilo publikovat v kvalitním časopise Nature Physics. Dodnes jsme jediná skupina na světě, která tento způsob manipulace s elektrony použila,“ líčí oceněný vědec, jak vznikla myšlenka ERC projektu.

Získané poznatky se snažil dále rozvíjet i po návratu do Prahy, ale spíše jen na teoretické úrovni, neboť mu v Česku chybělo experimentální vybavení, které je k tomuto výzkumu potřeba. „Díky ERC jsem teď získal prostředky na nákup přístrojů, jež nám umožní provádět experimenty, za kterými bychom jinak museli do zahraničí,“ plánuje. A jak jej ovlivnila práce v cizině? Zahraniční pobyt jej prý kromě odborných znalostí obohatil i po stránce zkušeností s psaním projektových žádostí: „V Německu jsem díky účasti na přípravě několika velkých projektových žádostí zjistil, že nestačí pouze zpracovat projekt po technické stránce, ale je nutné dobře myšlenku prodat. S přípravou ERC žádosti mi výrazně pomohla také podpora profesora Zdeňka Strakoše a týmu z Technologického centra AV ČR, kteří pořádají workshopy informující o všech úskalích žádání o ERC projekty. Za to jim patří mé velké poděkování.“ 

ERC projekt by měl být na hranici možného

Výzkum interakce mezi světlem a elektrony se začal rozvíjet před deseti lety a v naprosté většině výzkumných skupin se věnují interakci, která je zprostředkovaná nanostrukturou. „V rámci tohoto grantu plánujeme využít jiný princip – celé se to bude odehrávat ve vakuu a nanostruktury tak vůbec nejsou třeba. Elektronové svazky budeme kontrolovat pomocí dvou pulzních laserových paprsků uvnitř elektronového mikroskopu,“ popisuje unikátní přístup, který hodlají rozvíjet.

„Při sepisování žádosti mi pomohlo, že jsem žádal již podruhé, a měl jsem tak nějaké zkušenosti a oponentské posudky z prvního pokusu. Jako nejvýznamnější výtku oponentů jsem vnímal, že můj návrh nebyl dostatečně odvážný a chyběla mu dlouhodobá perspektiva. Hodnotitelé oceňují nejen originální myšlenky, ale projekt by měl být také takzvaně high-risk/high-gain a v případě úspěchu významně změnit celý směr výzkumu,“ nastiňuje Martin Kozák i pro případné další adepty.

„Moje druhá žádost tak byla výrazně odlišná. Snažil jsem se představit si ideální stav, jehož bych chtěl při řešení grantu dosáhnout, a vysvětlit, že je možné se k němu dostat. Je ovšem třeba pokusit se zároveň vybalancovat vysoké riziko a proveditelnost navrhovaných experimentů. Hodnotitelé jsou špičkoví odborníci a nerealistické sny by okamžitě prohlédli,“ usmívá se vědec.

Pro hledání hranice mezi snem a realitou mu prý nejvíce pomohly praktické zkušenosti z laboratoře: „Ve fyzice se naštěstí dá také dost věcí spočítat, vytvořit teoretické modely a prokázat, že významná část experimentů v návrhu projektu je proveditelná.“

K získání ERC pomohla i rodičovská

„Když jsem se dozvěděl, že jsem získal grant, měl jsem obrovskou radost. Byla to pro mě poslední šance, kdy jsem mohl o ERC Starting Grant žádat. Do kritéria maximálního počtu let od dokončení Ph. D. jsem se vešel i díky tomu, že jsem strávil čtyři měsíce na rodičovské dovolené,“ vysvětluje otec tří dětí.

Inspiroval jej kamarád, který na rodičovské v Německu strávil tři roky. „Velmi si to pochvaloval. A tak když se nám s manželkou narodilo třetí dítě, rozhodli jsme se, že si to během čtyř měsíců v letní přestávce mezi semestry také zkusím. A bylo to skvělé – nepřineslo mi to žádné profesní omezení – mezi hraním si s dětmi jsem měl dostatek času na přemýšlení o detailech projektu a v mém oboru lze dělat řadu věcí i po večerech z domova,“ sdílí úspěšný přístup vědec, kter‎ý pr‎ý nezaznamenal ani udivené reakce okolí.