Fundacja na rzecz Nauki Polskiej obchodzi 25-lecie działalności. Z tej okazji zaprosiliśmy 25 laureatów naszych programów do rozmowy o tym, jak się „robi” naukę. Co ich fascynuje? Co jest tak ciekawe i ważne w tym, czym się zajmują, że zdecydowali się poświęcić temu większą część życia? Jak osiąga się sukces?
Bohaterki i bohaterowie wywiadów to badacze, którzy reprezentują wiele odległych od siebie dziedzin, są na różnych etapach kariery naukowej i mają różnorodne doświadczenia. Łączy ich jedno – uprawiają naukę na światowym poziomie, mają na koncie imponujące osiągnięcia, a w swoim bogatym CV – różnego typu wsparcie od FNP. Kolejne wywiady będą ukazywać się cyklicznie na stronie FNP.
Zapraszamy do lektury!
W świecie laserów, światłowodów i grafenu
Z dr. inż. Grzegorzem Soboniem zajmującym się laserami wykorzystującymi grafen rozmawia Aleksandra Stanisławska.
Na zdjęciu dr. inż. Grzegorz Soboń, fot. Magdalena Wiśniewska Krasińska
Aleksandra Stanisławska: Lasery i światłowody – o pracy z takimi cudami techniki marzy zapewne wielu fanów science fiction. Czy i u Pana właśnie z tego wynikał obrany kierunek badań?
Dr inż. Grzegorz Soboń: – Muszę Panią rozczarować, ale nie przepadam za literaturą science fiction. A moje zetknięcie się z laserami było w dużej mierze dziełem przypadku. Kiedy byłem na czwartym roku studiów na Politechnice Wrocławskiej, prof. Krzysztof Abramski, wtedy jeden z moich wykładowców, a później, promotor doktoratu, zaproponował mi dołączenie do kierowanej przez siebie Grupy Elektroniki Laserowej i Światłowodowej oraz realizację pracy magisterskiej. Chętnie się na to zgodziłem, co okazało się strzałem w dziesiątkę. Lasery stały się moją pasją w takim stopniu, że zapełniają mi życie zawodowe. Szczerze mówiąc, nie mam nawet zdefiniowanego hobby poza pracą, któremu mógłbym się oddawać „po godzinach”.
I od początku skupił się Pan na pracy nad superszybkimi laserami światłowodowymi wykorzystującymi grafen? Już sama nazwa brzmi świetnie.
O tematyce moich badań również zadecydował szczęśliwy traf. Nasza grupa badawcza od wielu lat zajmowała się laserami światłowodowymi i różnymi aspektami optyki laserowej. Ja sam na początku zajmowałem się głównie wzmacniaczami światłowodowymi. O grafenie oczywiście słyszeliśmy, zwłaszcza że w 2010 roku Andriej Geim i Konstantin Novoselov otrzymali nagrodę Nobla za odkrycie własności tego materiału. W 2011 roku, razem z moim kolegą z zespołu Jarosławem Sotorem, byliśmy na konferencji w USA, na której miała miejsce bardzo ciekawa dyskusja panelowa na temat grafenu, nanorurek węglowych i innych nowych materiałów dla optoelektroniki. Zainspirowało nas to do przeprowadzenia własnych badań. Po powrocie do Polski wraz z Jarkiem zdecydowaliśmy się samodzielnie uzyskać grafen taką samą metodą, jakiej użyli nobliści: odrywając warstwy grafitu za pomocą taśmy klejącej. I udało się za pierwszym razem! Umieściliśmy grafen w laserze i to zadziałało, jak trzeba. Gdyby nam wtedy nie wyszło, zapewne nie byłoby dzisiejszej rozmowy, bo zarzucilibyśmy ten temat.
Jak zatem działają konstruowane przez Pana lasery femtosekundowe?
Ich istota polega na tym, że emitują ciąg równo od siebie oddalonych, wręcz niesamowicie krótkich impulsów. Ich czas trwania mierzony jest w femtosekundach, czyli biliardowych częściach sekundy. Nasze pierwsze lasery generowały impulsy na poziomie kilkuset femtosekund, teraz bez problemów schodzimy już poniżej 30 femtosekund. Takie własności są bardzo istotne np. w obróbce materiałów, ponieważ czas interakcji emitowanego przez laser światła z materią jest niezmiernie krótki, w związku z czym obrabiany materiał nie jest podgrzewany – ulega natomiast dosłownie „wyparowaniu”. Właściwości takich laserów sprawdzają się nie tylko w przypadku przetwarzania materiałów, takich jak: półprzewodniki, metale, tworzywa sztuczne, ale też tkanek biologicznych. Ta ostatnia możliwość otwiera drogę do zastosowań w medycynie. Laser może być wykorzystywany jako skalpel optyczny w zabiegach chirurgicznych, np. gałki ocznej. Prowadzimy już takie badania wspólnie z okulistami z Uniwersytetu Medycznego w Warszawie. Podjęliśmy również pierwsze próby tworzenia takiej struktury powierzchni płatków sztucznych zastawek serca, by nie przywierała do nich hemoglobina i można było uniknąć zakrzepów. Tych zastosowań jest znacznie więcej. Lasery femtosekundowe świetnie sprawdzają się również np. w spektroskopii laserowej, czyli w wykrywaniu niewielkich stężeń gazów i molekuł (np. tlenku węgla czy metanu) w powietrzu. Ponieważ widmo optyczne generowane przez lasery femtosekundowe potrafi być bardzo szerokie, ich zastosowanie w spektroskopii pozwala na budowanie systemów umożliwiających detekcję wielu związków jednocześnie – w odróżnieniu od systemów wykorzystujących lasery pracy ciągłej.
Co grafen zmienił w konstruowanych przez Pana laserach?
Wykorzystujemy go w laserach femtosekundowych jako tzw. nasycalny absorber. Stanowi on swego rodzaju pasywny „przełącznik”, który sprawia, że laser emituje bardzo krótkie impulsy światła. Grafen ma ciekawe nieliniowe własności optyczne. Cyklicznie zmienia swoją zdolność do pochłaniania światła. W normalnych warunkach, czyli np. w świetle słonecznym, grafen pochłania dokładnie 2,3 proc. padającego światła. Wydaje się, że to niewiele, ale tak naprawdę to imponująca wartość – pamiętajmy , że jest to materiał składający się z jednej warstwy atomów. Natomiast pod wpływem impulsowego światła laserowego staje się on niemal całkiem przezroczysty, a następnie regeneruje się w ciągu kilkudziesięciu-kilkuset femtosekund. Po czym cykl się powtarza. Dlatego grafen umieszczony w laserze sprawia, że urządzenie to emituje bardzo krótkie impulsy w równych odstępach czasu – krótsze niż inne stosowane do tej pory materiały. Ale to niejedyna pożądana cecha laserów femtosekundowych, bo chodzi w nich również o długość fali emisji. Grafen jest materiałem szerokopasmowym, w związku z czym, w odróżnieniu od półprzewodników, wykazuje swoje unikalne własności niemalże dla każdej długości fali światła, od promieniowania widzialnego aż do średniej podczerwieni. Dzięki temu można go wykorzystać do budowy tzw. szerokopasmowych optycznych grzebieni częstotliwości. W tej dziedzinie również została przyznana nagroda Nobla. Dostali ją w 2005 roku Theodor W. Hänsch oraz John Hall za rozwój optycznych grzebieni częstotliwości. A to nic innego jak laser femtosekundowy, w tamtych czasach jeszcze bez grafenu, odpowiednio stabilizowany i użyty do tego, by wykonywać z jego pomocą bardzo precyzyjne pomiary czasowe i przestrzenne. Ponieważ laser femtosekundowy generuje impulsy, które są od siebie równo oddalone – w dziedzinie częstotliwości odpowiada to tzw. „grzebieniowi” spektralnemu. Grzebień taki stanowi wzorzec częstotliwości, używany obecnie np. przez metrologów w zegarach optyczno-atomowych, najdokładniej na świecie podających czas. Takie zegary spóźniają się zaledwie o jedną sekundę na ok. 30 milionów lat. Przy użyciu takich laserów kalibruje się również spektrografy astronomiczne, pozwalające na wykrywanie ciał niebieskich poza Układem Słonecznym. Spotkałem się z szacunkami, że ok. 90 proc. odkrywanych obecnie nowych planet udaje się obserwować właśnie dzięki grzebieniom optycznym.
Jako pierwszy na świecie skonstruował Pan światłowodowy laser z wiązką spolaryzowaną liniowo. Jakie to miało znaczenie dla sposobu działania tego urządzenia?
Konstrukcja lasera utrzymująca liniową polaryzację sprawia, że działa on wyjątkowo stabilnie, ma powtarzalne parametry promieniowania i jest niewrażliwy na czynniki zewnętrzne. To ostatnie oznacza, że możemy nim trząść, zrzucić go ze stołu, a on nadal będzie działał. To bardzo istotne z punktu widzenia aplikacji urządzenia poza „sterylnym” laboratorium. W ramach programu GRAF-TECH Narodowego Centrum Badań i Rozwoju, wspólnymi siłami naszego zespołu zbudowaliśmy kilka sztuk prototypu takiego lasera z grafenem. Były one testowane w różnych laboratoriach na świecie i tam potwierdzono powtarzalność ich parametrów. Jeden z naszych laserów pracuje na stałe w Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych w Warszawie.
Czy grafen jest jedynym materiałem, dzięki któremu można osiągnąć takie efekty?
Nie, i to właśnie jest najciekawsze. Bardzo dobrze sprawdzają się w tej roli również tzw. izolatory topologiczne, czyli dwuwymiarowe materiały o strukturze warstwowej i podobnych własnościach optycznych jak grafen. W tym roku (2016) przyznano nawet Nagrodę Nobla z fizyki za odkrycia w dziedzinie topologii. Materiały topologiczne testujemy w naszych laserach jako zamiennik grafenu. Jako pierwsi na świecie wykorzystaliśmy tellurek antymonu do generacji ultrakrótkich impulsów. Obiecująco wygląda pod tym względem również dwuwymiarowy czarny fosfor. Takich materiałów znamy na razie kilkadziesiąt, a ich lista stale rośnie. Główna w tym zasługa właśnie grafenu – ponieważ jego odkrycie zmotywowało naukowców do poszukiwania innych, dwuwymiarowych materiałów o własnościach „grafenopodobnych”.
Nadal pracuje Pan nad rozwijaniem laserów?
Tak, choć innych niż te, którymi zajmowałem się do tej pory. Najbardziej aktualnym światowym trendem jest konstruowanie laserów generujących promieniowanie w zakresie średniej podczerwieni. Lasery tego typu pozwalają np. na ultraczułą detekcję związków chemicznych. A to dlatego, że wszystkie najważniejsze molekuły, np. gazy cieplarniane odpowiedzialne za zmiany klimatyczne, mają swoje pasma absorpcyjne właśnie w średniej podczerwieni. Jest więc duże zapotrzebowanie na takie lasery, jak również na czułe systemy monitorowania emisji szkodliwych związków. I dlatego pojechałem na Uniwersytet w Umeå w Szwecji, gdzie do kwietnia 2017 roku w ramach grantu mam opracować system femtosekundowy emitujący średnią podczerwień na potrzeby badań związanych z bardzo precyzyjną spektroskopią laserową.
W Polsce nie dało się prowadzić takich badań?
Takich akurat nie, ale to specyficzna dziedzina wiedzy, w której specjalizuje się kilka zespołów badawczych na świecie, w tym właśnie grupa z Uniwersytetu w Umeå. Starałem się nawet o dofinansowanie tego typu prac w Polsce, ale niestety w recenzji wniosku przeczytałem, że „grzebienie optyczne już istnieją od 2005 roku, więc po co je robić”. Okazało się, że w Szwecji jest grupa, która na podobne badania otrzymała pięcioletnie dofinansowanie w wysokości kilkunastu milionów koron i udało mi się do niej dostać. Wszystkie moje dotychczasowe projekty wykonywałem w Polsce, korzystając głównie z finansowania z Narodowego Centrum Nauki, Narodowego Centrum Badań i Rozwoju oraz Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, co pozwoliło naszemu zespołowi prowadzić badania na światowym poziomie, choć oczywiście zdajemy sobie sprawę, że konkurencyjne ośrodki dysponują znacznie większymi zasobami. Mimo to udowodniliśmy, że w Polsce da się osiągnąć wyniki unikalne w skali świata i to do nas ludzie chcą przyjeżdżać na staże. Z kolei mi samemu indywidualne wsparcie z FNP w postaci stypendium START dało możliwość skupienia się na tych konkretnych badaniach i bardzo ułatwiło pracę nad projektem.
Na zdjęciu dr. inż. Grzegorz Soboń, fot. Magdalena Wiśniewska Krasińska
Był Pan dwukrotnie laureatem stypendium START.
Tak, rzeczywiście, miało to miejsce w 2013 i 2014 roku. Warto powiedzieć, że to stypendium jest uznawane za najbardziej prestiżowe przez młodych polskich naukowców, bo o jego przyznaniu decyduje przede wszystkim ocena dotychczasowego dorobku naukowego. Jestem więc bardzo dumny, bo nie dość, że uzyskałem stypendium START dwukrotnie, to jeszcze za pierwszym razem przyznano mi je – jako jednemu z dwóch laureatów – z wyróżnieniem. Dało mi to silną motywację do dalszej pracy, bo nie ma co ukrywać – poczułem się doceniony. Ale to wsparcie miało też wydźwięk czysto materialny. Kiedy je otrzymywałem za pierwszym razem, byłem doktorantem. Za drugim razem byłem już po obronie doktoratu. Stypendium zapewniło mi codzienne utrzymanie przez dwa lata, wysokością miesięcznego uposażenia znacznie przewyższając np. stypendium doktoranckie. Nie musiałem dzięki temu zaprzątać sobie głowy bieżącym utrzymaniem – poszukiwać zleceń poza nauką czy decydować się na pracę w przemyśle. Chciałem tego uniknąć, bo już na tym etapie byłem zdecydowany jak najwięcej mojego czasu poświęcić pracy naukowej. Wsparcie z FNP bardzo mi w tym pomogło.
Czy trudno jest zdobywać w Polsce granty na innowacyjne badania, takie jak Pańskie?
Najtrudniej jest uzyskać wsparcie dla pierwszego projektu, gdy nie można się jeszcze wykazać znaczącym dorobkiem naukowym. Potem za każdym razem jest łatwiej. Recenzenci patrzyli na mnie bardziej łaskawym okiem, kiedy dysponowałem już środkami na badania i mogłem publikować ich wyniki – udało mi się to zrobić m.in. w prestiżowych czasopismach naukowych w dziedzinie fotoniki, takich jak „Optics Express”, „Scientific Reports” czy „Optics Letters”. Kiedy mogłem już pochwalić się swoim dorobkiem przed instytucjami dysponującymi środkami na wsparcie projektów naukowych, zadziałał efekt śnieżnej kuli, i poszły za tym kolejne granty.
Ma Pan jakieś marzenie zawodowe, którego nie zdołał Pan do tej pory zrealizować?
Moim marzeniem jest pozyskanie stabilnego finansowania na utrzymanie własnego zespołu badawczego. Chciałbym stworzyć grupę z prawdziwego zdarzenia, która będzie prowadzić badania o aktualnej i ciekawej tematyce. Interesuje mnie zwłaszcza znajdowanie zastosowań dla laserów femtosekundowych, nad którymi już wcześniej pracowałem. Chciałbym doprowadzić projekt do etapu rzeczywistych zastosowań tych rozwiązań, np. w spektroskopii laserowej. Staram się gromadzić wokół siebie studentów zainteresowanych tego typu badaniami, których „wyłapuję” już na bardzo wczesnym etapie studiów. Swego czasu założyłem koło naukowe na Wydziale Elektroniki PWr, z którego kilka osób trafiło na studia doktoranckie do naszej grupy badawczej. Jestem promotorem pomocniczym w ich przewodach doktorskich (nie mam jeszcze habilitacji i nie mogę być ich pełnoprawnym promotorem). Dysponując grantem z Narodowego Centrum Nauki, staram się tych ludzi przytrzymać przy sobie na dłużej. W ten sposób tworzę zalążek mojego zespołu. Mam nadzieję, że uda mi się zdobyć grant na to, by móc na stałe zatrudniać kilku zdolnych naukowców. Może znów uda mi się skorzystać z pomocy Fundacji i zdobyć finansowanie na ten cel z jej programów TEAM albo FIRST TEAM. Za pierwszym razem się nie udało, ale po powrocie do Polski na pewno będę się o taki grant ponownie ubiegał.
A czy od strony osiągnięć naukowych czuje się Pan spełniony?
– Zdecydowanie nie! Mam jeszcze wiele celów i marzeń. Jedno z nich prawdopodobnie dzielę z niemal każdym naukowcem na świecie: chciałbym w końcu opublikować artykuł w piśmie uznawanym za najbardziej prestiżowe w dziedzinie, w której prowadzę badania, czyli w „Nature Photonics”,
Jak obecnie przebiegają prace nad komercjalizacją Pańskiego wynalazku, czyli lasera femtosekundowego z grafenem?
Jesteśmy w trakcie tych działań. Prototypy już mamy, a teraz pozostaje jeszcze założyć spółkę typu spin-off na Politechnice Wrocławskiej. Weryfikujemy również przydatność naszych laserów do różnych aplikacji, np. wraz z Warszawskim Uniwersytetem Medycznym testujemy je pod kątem zabiegów okulistycznych. Mam nadzieję, że również w Umeå uda się je zastosować w systemach detekcji gazów. Myślę, że jesteśmy na dobrej drodze do tego, by nasze lasery wreszcie trafiły do laboratoriów, firm i ośrodków badawczych na całym świecie.
DR INŻ. GRZEGORZ SOBOŃ pracuje na Wydziale Elektroniki Politechniki Wrocławskiej. Jest dwukrotnym stypendystą programu START (2013 i 2014), w 2013 roku uzyskał stypendium z wyróżnieniem, przyznawane najlepiej ocenionym w konkursie kandydatom.
Przeczytaj także:
Czyste niebo nad Cerro Paranal – z prof. GRZEGORZEM PIETRZYŃSKIM, astronomem, rozmawia Anna Mateja