Ar įmanoma apeiti gamtos taisykles?

Kodėl kai kurių technologijų vis dar negalima sukurti, nors žinoma, kad jos būtų naudingos? Dažnai problema slypi ne idėjų ar inžinerinių sprendimų stokoje, o pačiose medžiagose – jų sandara neleidžia atsirasti tam tikriems reiškiniams. Todėl mokslininkai siekia išsiaiškinti, ar šias ribas galima apeiti pasitelkus šviesą.

Kauno technologijos universiteto (KTU) ir Masačusetso technologijos instituto (MIT) mokslininkai nagrinės, kaip šviesa gali laikinai pakeisti medžiagų savybes ir paskatinti atsirasti iki šiol nepasiekiamiems optiniams ir elektriniams efektams.

„Jei tai pavyktų, būtų galima šiuos rezultatus pritaikyti kuriant naujos kartos infraraudonųjų spindulių detektorius, veikiančius kambario temperatūroje, skirtus aplinkos monitoringui, kosmoso tyrimams ir gynybos sistemoms“, – sako KTU Medžiagų mokslo instituto direktorius, profesorius habil. dr. Sigitas Tamulevičius.

Kelias į pažangias technologijas

Dalis pažangių optinių technologijų negali būti toliau tobulinamos vien todėl, kad tam tikros medžiagos dėl savo sandaros nesugeba sukurti reikalingų optinių efektų.

Lietuvos ir Jungtinių Amerikos Valstijų mokslininkai vykdydami bendrą projektą MIT Tarptautinių studijų centro kuruojamoje „Global Seed Fund“ programoje, spręs fundamentalią problemą – kaip įveikti kristalinės simetrijos apribojimus Weyl puslaidininkiuose.

„Šie apribojimai draudžia tam tikrus netiesinius atsako mechanizmus. Kartu su kolegomis iš MIT sieksime realizuoti efektyvius netiesinius optoelektroninius atsakus praktiniuose, kambario temperatūroje veikiančiuose įrenginiuose“, – teigia prof. S. Tamulevičius.

Projekto metu bus bandoma atrasti naujus būdus, kaip suteikti pažangioms medžiagoms savybių, kurių jos įprastai neturi. Tai gali atverti kelią efektyvesnei elektronikai, tikslesniems jutikliams ir naujoms kvantinėms technologijoms.

Stebimi nauji reiškiniai

Įprastai medžiaga į šviesą reaguoja nuspėjamai – kuo daugiau šviesos, tuo stipresnis jos atsakas. Tačiau kai kuriose sistemose šviesa gali padaryti gerokai daugiau: pakeisti pačios medžiagos savybes ir sukelti naujus reiškinius.

„Paprastai tariant, kalbama apie tai, kaip šviesa ir medžiaga sąveikauja neįprastais, netiesiniais būdais, kai tiriama sistema nėra tobula ar simetriška. Čia „simetrija“ reiškia tvarką ir vienodumą – pavyzdžiui, jei kažką pasukame ar apverčiame, jis atrodo taip pat, o „simetrijos pažeidimas“ reiškia, kad ta tvarka „sulaužoma“ – sistema tampa šiek tiek netolygi ar asimetriška“, – pasakoja KTU profesorius.

Būtent tokiose „netobulose“ – pažeistos simetrijos – sistemose mokslininkai pastebi naujų reiškinių, kurie gali turėti įvairių pritaikymų.

Pasak S. Tamulevičiaus, bus tiriama, kaip šviesos pagalba nanometrinėse struktūrose  galima „sulaužyti“ unikalios kristalinės medžiagos simetriją ir valdyti jos elektrinį laidumą bei atsaką šviesai.

„Aiškinsimės, kaip nanostruktūrose (topologinėse–plazmoninėse sistemose) atsiranda šie efektai bei kaip simetrijos pažeidimas leidžia kurti itin jautrius optinius detektorius“, – teigia KTU profesorius.

Viena perspektyviausių krypčių

Mokslininkų tyrimuose bus naudojamos vadinamosios topologinės-plazmoninės heterostruktūros. Tai kelių skirtingų medžiagų dariniai, kuriuose vienoje sistemoje apjungiami reiškiniai, būdingi plazmonikai (nagrinėjančiai kolektyvinį elektronų atsaką šviesai)  ir topologinei fizikai (šiuolaikinei fizikos krypčiai, kurioje nagrinėjama ne tik iš ko sudaryta sistema, bet kaip jos savybės priklauso nuo  geometrinės/topologinės struktūros).

„Dėl šių savybių jos laikomos viena iš perspektyviausių krypčių šiuolaikinėje nanofotonikoje ir pažangioje optoelektronikoje“, – tikina S. Tamulevičius.

Skirtingai nuo esamų sprendimų, kurie remiasi nepraktiškomis eksperimentinėmis sąlygomis, anot KTU profesoriaus, siūlomas metodas naudoja inovatyvias nanostruktūras ir optinį vertikalių elektrinių laukų generavimą, taip atveriant kelią integruojamiems, aukšto efektyvumo optoelektroniniams įrenginiams.

„Netiesinės optinės sistemos atveria galimybes realizuoti fizikinius efektus, kurie yra nepasiekiami tiesinėse sistemose (sistemose, kuriose šviesos sukeltas atsakas yra proporcingas įeinančios šviesos intensyvumui). Be to, jos padeda įveikti fundamentalius medžiagų simetrijos apribojimus ir ženkliai padidinti įrenginių jautrumą bei efektyvumą“, – sako KTU Medžiagų mokslo instituto direktorius.

Sujungs universitetų stipriąsias puses

Minėtus tyrimus KTU profesorius S. Tamulevičius įgyvendins kartu su MIT Mechanikos inžinerijos departamento mokslininke dr. Svetlana Boriskina.

„Sujungsime KTU stipriąsias puses plazmoninių nanostruktūrų saviorganizacijos srityje su pasaulinio lygio žiniomis apie topologines medžiagas ir netiesinę nanofotoniką. Toks sinergetinis požiūris suteikia galimybę KTU pereiti nuo atskirų nanostruktūrų kūrimo prie pažangių funkcinių kvantinių optoelektroninių įrenginių vystymo“, – pažymi KTU profesorius.

Bendradarbiavimas taip pat sudarys sąlygas keistis žiniomis ir patirtimi, plėtoti naujas tyrimų kryptis, stiprinti KTU mokslininkų kompetencijas ir ugdyti naujus aukštos kvalifikacijos tyrėjus.

„MIT mokslinė aplinka ir požiūris į tyrimus reikšmingai papildo KTU vykdomus tyrimus, nes suteikia galimybę bendradarbiauti su aukščiausio lygio fundamentinės fizikos, netiesinės optikos ir topologinių medžiagų tyrėjais bei naudotis pažangia eksperimentine infrastruktūra“, – teigia S. Tamulevičius.

Tuo tarpu KTU mokslininkų turima patirtis plazmoninių nanostruktūrų saviorganizacijos ir našių nanofotoninių platformų kūrime leis šias fundamentines mokslininkų idėjas paversti realiais inžineriškai realizuojamais sprendimais.

Kuria pagrindą ateities technologiniams proveržiams

KTU Medžiagų mokslo instituto direktorius pastebi, kad tokie fundamentiniai tyrimai gali tapti visiškai naujos kartos technologijomis, pasižyminčiomis didesniu efektyvumu, jautrumu ir funkcionalumu nei esami sprendimai.

„Jie suteikia galimybę įveikti esminius fizinius apribojimus ir realizuoti iki šiol nepasiekiamus netiesinius optoelektroninius efektus“, – sako jis.

KTU profesoriaus teigimu, investuoti į fundamentinius optikos ir medžiagų mokslo tyrimus – privalu, nes būtent jie kuria pagrindą ateities technologiniams proveržiams.

„Nors dažnai jų praktinis pritaikymas iš karto nėra akivaizdus, tokie tyrimai leidžia atrasti naujus fizinius reiškinius ir peržengti esamus technologinius apribojimus – kaip ir šiame projekte, kuriant netiesinius optinius atsakus ar apeinant medžiagų simetrijos ribotumus“, – tikina S. Tamulevičius.

Istoriškai daugelis šiandien plačiai naudojamų technologijų, įskaitant puslaidininkius ir lazerius, kilo būtent iš fundamentinių tyrimų. „Todėl investicijos šioje srityje yra kritiškai svarbios siekiant ilgalaikio technologinio konkurencingumo, inovacijų ir aukštos pridėtinės vertės sprendimų kūrimo“, – priduria KTU Medžiagų mokslo instituto direktorius.