Lietuvio darbas, padėsiantis įveikti optinės fizikos ribas, publikuotas prestižiniame mokslo žurnale

Senosios optikos ribos

Optinio mikroskopo sukūrimas XVI ir XVII amžių sandūroje sukėlė tikrą mokslo revoliuciją. Mikroskopu buvo galima stebėti plika akimi nematomus objektus – gyvąsias ląsteles, bakterijas. Šiems prietaisams tobulėjant, žmonijai vėrėsi vis detalesnis mikropasaulio vaizdas. Buvo manoma, jog pačiu tobuliausiu optiniu mikroskopu bus galima pamatyti pamatinę medžiagų dalelę – mistiškąjį atomą, apie kurį iki XX a. buvo tik spėliojama.

Deja, fizikai ilgainiui suprato, jog šios svajonės turi rimtą kliūtį. Buvo suvokta, jog matoma šviesa – tai elektromagnetinės bangos. Fizikos dėsniai nustato griežtus kriterijus mažiausių daiktų, kuriuos galima pamatyti šiomis bangomis, dydžiui. Taip vadinamas Relėjaus (baronas Rayleigh – XIX a. pabaigos ir XX a. pradžios britų mokslininkas) kriterijus sako, jog neįmanoma mikroskopu išskirti smulkesnių detalių, nei matomos šviesos bangos ilgis (tai atstumas, per kurį bangai sklindant kartojasi jos periodiškumas). Aiškėjo, jog jei atomai egzistuoja, tai jie yra gerokai mažesni, nei šviesos bangos ilgis. Dabar žinome, kad jie yra mažesni kelis tūkstančius kartų. Vadinasi, net tobulinant optinį mikroskopą iki begalybės, nebūtų įmanoma pamatyti atomų.

Nors XX a. žmonės iš tikro pamatė atskiras molekules ir net atskirus atomus, tam jie turėjo pasitelkti kitus būdus – elektronų mikroskopus ar rentgeno bangas, bet ne matomą šviesą.

Naujoji optikos revoliucija

Bet optikos mokslas nemirė. Priešingai – prieš trejetą dešimtmečių prasidėjo naujoji optikos revoliucija, kuri tęsiasi iki šiol.

Pasirodo, jog tradicinis Relėjaus kriterijus galioja daugeliui įprastinių atvejų, bet yra situacijų, kai jį galima apeiti. Ir tai visai neprieštarauja fizikos dėsniams, o būtent – elektromagnetinio lauko teorijai. Vienas iš tokių pavyzdžių – tai vadinamoji artimojo lauko optika, kurios idėja buvo pasiūlyta XX a. trečiajame dešimtmetyje, bet įgyvendinta tik devintajame dešimtmetyje. Jei, pvz., tyrinėjame molekulę, kuri spinduliuoja šviesą, tai arti molekulės elektromagnetinis laukas erdvėje kinta daug sparčiau, nei toli nuo molekulės (vadinamajame tolimajame lauke), kur elektromagnetinio lauko erdvinį kitimą nusako bangos ilgis. Artimojo lauko optika – labai aktyvi mokslo sritis, kurioje pasiekta labai didelių proveržių. Artimojo lauko mikroskopija naudojama medicinoje, biologijoje, medžiagų moksle, puslaidininkių pramonėje ir t. t.

Kitas įdomus būdas apeiti klasikinį Relėjaus kriterijų, t. y. pamatyti mažesnius objektus, nei leidžia tradicinė optika, yra susijęs su naujo tipo vektorinių šviesos pluoštelių panaudojimu. 2001-aisiais metais tokius pluoštelius pasiūlė vokiečių mokslininkas prof. G. Leuchsas. Kuo gi šie pluošteliai skiriasi nuo tradicinių optinių „spindulių“? Nėra paprasta tai paaiškinti populiariai. Sklindant įprastinei matomai šviesai, t. y. elektromagnetinei bangai, elektrinio ir magnetinio lauko komponentės virpa šviesos sklidimo krypčiai statmenomis kryptimis. Jei šviesos šaltinis yra lazeris, tai abiejų laukų virpėjimo kryptys yra fiksuotos ir nekinta – šviesa yra tiesiškai poliarizuota. Naujųjų vektorinių pluoštelių skirtybė yra ta, kad elektrinio ir magnetinio laukų vektoriai neturi vienos konkrečios krypties – vektorių kryptis kinta erdvėje pagal tam tikrą matematinę priklausomybę. Prof. G. Leuchso pasiūlytuose pluošteliuose sukuriama taip vadinama radialinė poliarizacija (žiūr. paveikslą). Norint suformuoti tokį pluoštelį, reikia naujo tipo optinės sistemos, kaip kad, pvz., Lietuvos firmos „Altechna“ gaminami z-poliarizatoriai. Pasirodo, jog esant radialinei poliarizacijai, šviesos pluoštelio skerspjūvis (t. y. spindulio „storis“) gali būti gerokai mažesnis, nei elektromagnetinės bangos ilgis. Vadinasi, tokiu „spinduliu“ skenuodami mus dominantį objektą, vien tik matoma šviesa galėtume išgauti daug geresnę erdvinę skyrą, nei mums leistų tradicinis Relėjaus kriterijus – tai išties gana netikėta išvada!

Kaip pamatyti vieną spindulį

Bet viena yra teorija, o kita – praktika. Net jei ir yra žinoma, kaip suformuoti šiuos vektorinius šviesos pluoštelius, kaip įsitikinti, jog šie keisti šviesos spinduliai yra būtent tokie, kaip numato teorija? Kaip pamatyti šviesą, kuri susifokusuoja į taškelį, mažesnį, nei leidžia klasikinė optika? 2001-aisias metais to paties prof. G. Leuchso pasiūlyta metodologija naudojant taip vadinamus „peilius“, pasirodė esanti nepatikima, kadangi metodas atkeliavo iš klasikinės optikos. Taigi, jei naudosime šituos keistus spindulius studijuoti medžiagas, ar yra geresnis būdas pamatyti ir charakterizuoti patį pluoštelį?

Naują šios problemos sprendimą sugalvojo Lietuvos mokslininkas dr. Sergejus Orlovas. 2010-aisiais metais dr. S. Orlovas, dirbamas prof. G. Leuchso vadovaujame Makso Planko šviesos fizikos institute Erlangene, Vokietijos Bavarijos žemėje, pasiūlė radialiai poliarizuotos šviesos pluoštelių tyrimo metodiką. Kaip pristatydamas straipsnį rašė „Nature Photonics“ žurnalo apžvalgininkas prof. L. Kuipersas iš Twente Universiteto Olandijoje, idėja stulbinančiai paprasta – apversti viską aukštyn kojomis. Mintis tokia: jei šviesa galima tirti medžiagas, tai tas pačias medžiagas galima panaudoti studijuojant šviesą! Konkrečiau, dr. S. Orlovas pasiūlė panaudoti šviesos pluoštelio sklaidą nuo mažo metalinio rutuliuko. Rutuliukas padedamas ant stiklinio padėklo, į jį fokusuojamas vektorinis šviesos pluoštelis, o jautriu detektoriumi registruojama pirminio ir išsklaidyto pluoštelio sąveika – interferencija. Atliekant šį eksperimentą keliose rutuliuko erdvinėse padėtyse, galima atstatyti ne tik vektorinio šviesos pluoštelio intensyvumo pasiskirstymą, bet taip pat „išmatuoti“ ir elektromagnetinių laukų fazes, t. y. gauti visą matematinę informaciją apie šviesos pluoštelį.

******

Pasikalbėjau su Sergejumi ir paprašiau papasakoti apie save, savo mokslinį kelią ir ką tik pasirodžiusį „Nature Photonics“ straipsnį.

– Sergejau, papasakok apie save.

– Esu klaipėdietis. 1997-aisias įstojau į Vilniaus Universiteto Fizikos Fakultetą, ir jau būdamas studentu, pradėjau mokslinį darbą. 2003-aisias baigęs magistrantūrą, tęsiau mokslinius tyrimus doktorantūroje, vadovaujamas prof. Algirdo Petro Stabinio. Kartu su matematiku doc. Henriku Jasiūnu, profesorius A. Stabinis yra vienas labiausiai mano gyvenimą paveikusių asmenų. Profesoriaus dėka mes galime kalbėti apie Lietuvos lazerininkų mokyklą – dažnas profesoriaus auklėtas teoretikas darbuojasi Lietuvos lazerių pramonėje, kaip ir dažną iš jų sutiksime prestižinėse užsienio mokslo įstaigose, pamatysime jų vardus tarptautiniuose žurnaluose.

– Kokia buvo doktorantūros mokslo tyrimų tema?

– Doktorantūros metu teoriškai modeliavau šviesos sūkurius, Beselio pluoštus, o taip pat taip vadinamas optines kulkas – įvairiai suformuojamus lazerinius pluoštelius, kuriuos eksperimentiškai tyrinėjo mano kolegos toje pačioje katedroje.

Man labai patiko moksliniai tyrimai doktorantūroje. Ypač prie širdies buvo matematiniai darbo aspektai. Vilniaus Universiteto Kvantinės Elektronikos katedra, jos draugiškas kolektyvas, taip pat įgyta mokslinė, administracinė ir dėstymo patirtis labai stipriai paveikė mano tolimesnius pasirinkimus. Aš supratau, kad mokslinis darbas man patinka ir mane intriguoja, suvokiau, kad bendravimas su studentais yra man prie širdies. Nekalbu jau apie neįkainojamas diskusijas su kitais moksliukais VU fizikų bendrabutyje!

– O po doktorantūros?

– 2007-aisias metais, apgynęs daktaro disertaciją, dar likau vieneriems metams Vilniaus Universitete. 2008-aisias, gavęs Humboldto stipendiją, išvykau į Makso Planko Šviesos Fizikos institutą Erlangene. Šis institutas – vienas svarbiausių pasaulyje optikos mokslo centrų, ir todėl darbas šiame institute man buvo svarbus žingsnis. Erlangene tęsiau lazerinės spinduliuotės tyrimus, bet ėmiausi sudėtingesnio atvejo – naujoviškų vektorinių pluoštelių. Šiais metais pasirodęs „Nature Photonics“ straipsnis buvo ilgo, kelerius metus trukusio darbo svarbiausias rezultatas.

– Kodėl taip ilgai užtruko idėjos įgyvendinimas?

– Kaip dažnai būna moksle, didžiausias iššūkis yra ne naujo metodo teorinis pagrindimas, o jo eksperimentinis realizavimas. Prireikė beveik dviejų metų tam, kad būtų suderinta eksperimentinė įranga. Per tą laiką teko du kartus išmontuoti precizišką techniką ir prašyti gamintojo ją suderinti. Tokių mažų aukso rutuliukų savybės skiriasi nuo anksčiau skelbtų, tad mums teko patiems daug papildomų matavimų.

– Kokia šio mokslinio darbo svarba?

Ji – daugialypė. Taip, straipsnyje buvo išties parodyta, jog galima sėkmingai suformuoti ir išmatuoti radialiai poliarizuotus vektorinius šviesos pluoštelius, kurių skerspjūvis mažesnis, nei matomos šviesos bangos ilgis. Bet eksperimentas pateikė ir netikėtumų. Pasirodė, kad registruojami nedideli nukrypimai nuo laukto rezultato parodė ne pasiūlyto metodo trūkumus, o atskleidė sudėtingos optinės sistemos, naudotos pluoštelių formavimui, ydas. Tad tikimės, kad pademonstruotas metodas bus naudojamas ne tik tyrinėjant pačią šviesą, bet taip pat ir tobulinant lęšius ir kitus optinius komponentus. Naujasis metodas bus tinkamas ir tyrinėjant dar sudėtingesnius elektromagnetinio lauko darinius. Šiuo metu mes sėkmingai atlikome dar įdomesnių šviesos darinių matavimus. Kalbu apie šviesos Miobijaus juostas – vektorinius pluoštus, kuriuose šviesa susiriša į sudėtingus mazgus. Kita idėja yra vektoriniai šviesos sūkuriai. Teorinis darbas jau baigtas, o dabar su eksperimentatoriais planuojame tokių įdomių pluoštelių praktinį realizavimą.

– Kokią regi savo, kaip mokslininko, ateitį?

– Psichologai kalba, jog ilgesnis nei 6-10 metų buvimas vienoje vietoje yra žalingas. Žinoma, galvoju pakeisti vietą ir, be abejonės, norėčiau grįžti į Lietuvą. Lietuvoje optikos mokslas yra labai stiprus.

Visi žinome apie lietuviškus lazerius ir stiprius mokslininkus lazerių srityje. Lietuvoje taip pat yra ir labai stipri kvantinės optikos grupė, vadovaujama VU Teorinės fizikos ir astronomijos institute profesoriaus G. Juzeliūno. Prieš keletą metų susitvarkiau dokumentus grįžti į Lietuvą ir jau buvau viena koja Lietuvoje, bet, deja, iškilo nenumatytos kliūtys. Tuo pat metu Vokietijoje kolegos suderino įrangą ir gavo pirmus daug žadančius rezultatus, tad jie tik apsidžiaugė, kad likau Vokietijoje. Žinoma, rankų nenuleidžiu. Bendrauju su kolegomis Lietuvoje ir visada domiuosi, ar yra kokia įdomi ir nauja tyrimų tema. Jei vėl atsiras galimybė ir sąlygos, su mielu noru grįšiu į Lietuvą. Labai laukiu, kada į Lietuvos mokslą atkeliaus europinė tvarka, o pinigus mes įsisavinsime ne patentuodami tokius proveržius kaip „perpetuum mobile“ (amžinas variklis), o pasiūlysime visam pasauliui įdomias idėjas. O kol kas mintyse – daug įdomių optikos uždavinių.

Dėkui už atsakymus!

Dr. Audrius Alkauskas