Proveržis su Vyčio ženklu ant lietuviškos monetos

FTMC Optoelektronikos skyriaus Terahercinės fotonikos laboratorijos mokslininkų tyrimų tematika įdomi ir plačiajai visuomenei, nes susijusi su paslėptų daiktų matymu. Pavyzdžiui, kai oro uostuose tikrinami keleiviai, detektoriai fiksuoja tik metalinius daiktus. Jei piktų kėslų turintis žmogus neštųsi, tarkim, kitokios medžiagos ginklų, detektoriai jų neaptiktų. FTMC mokslininkų sukurtas jutiklis leidžia matyti paslėptus daiktus, kad ir kokios medžiagos jie būtų. Manoma, kad ši technologija galės būti taikoma ir oro uostuose pavojingoms medžiagoms aptikti.

Naująjį metodą nuspręsta iliustruoti lietuviška moneta, paslėpta paprastame pašto voke. Ant jos krintanti terahercinė spinduliuotė dėl nelygaus Vyčio reljefo atsispindi skirtingai. Matomas vaizdas pasirodė toks gražus žurnalo „Applied Physics Letters“ redkolegijai, kad lietuviškas Vytis atsidūrė rugsėjo 26 dieną išėjusio leidinio viršelyje. Žurnalo redkolegija sutiko, kad viršelis būtų perspausdintas „Lietuvos žinių“ dienraštyje.

Kas paslėpta

Kaip pasakojo FTMC Optoelektronikos skyriaus Terahercinės fotonikos laboratorijos vadovas G. Valušis, paslėptus daiktus „moka“ matyti grupės mokslininkų sukurtas mažytis asimetrinės formos jutiklis. Jis dar vadinamas peteliškės formos diodu, nes primena džentelmeno peteliškę, tiesa, šiek tiek keistoką, lyg viena dalis būtų šilkinė, kita – medvilninė. Diodo vienas trikampis yra metalinis, kitas – puslaidininkinis.

„Mūsų pirmoji, jau labai seniai sukurta „peteliškė“ buvo padengta auksu ir sudaryta iš dvimačių elektronų dujų, – prisiminė prof. G. Valušis. – Sumanymą įgyvendinome Vokietijoje, nes patys dar neturėjome tokios technologijos, kai diodas auginamas sluoksniukais kaip sumuštinis, tačiau jų storis nanometrinis, t. y. milijoninių milimetro dalelių. Pamatę, kad toks diodas veikia ne visai gerai, nusprendėme jį padaryti kitaip. „Peteliškę“ uždėjome ant silicio lęšiuko. Ji jaučia krintančią spinduliuotę ir duoda signalą. Nereikia jokių papildomų elektrinių daiktų.“

Mokslininkai yra sumanę sukurti tokį elektroninį prietaisiuką, kaip apsaugos kamera prekybos centruose, tik veikiantį nematomoje šviesoje ir „matantį“ tai, kas paslėpta. Tam reikia didžiulio jautrio, todėl visame pasaulyje tik kelios tyrėjų grupės yra užsimojusios sukurti tokius prietaisus.

„Iššūkis net fizikinės technologijos požiūriu, – pasakojo tyrėjų grupės vadovas. – Pavyzdžiui, mūsų kolegos Japonijoje pritaikė skirtingo dažnio spinduliuotę narkotikams keleivių bagaže aptikti ir net atskirti, tarkim, kur yra cukrozė, o kur – kokainas, nes jų spalvos skirtingos. To nemato jokie metalo detektoriai. Kolegos Anglijoje ištyrė, kad pamatavus skirtingas spektrines linijas, galima atsekti, kokia technologija ir kurioje geografinėje vietoje narkotikai buvo pagaminti.“

Tarp pradininkų

Manoma, kad pasaulyje šiuo metu vyrauja trys tokių jutiklių kūrimo kryptys: vadinamosios peteliškės, šilumą jaučiantys mikrobolometrai ir tranzistoriai. Pirmosios krypties pradininkai kaip tik ir yra FTMC Terahercinės fotonikos laboratorijos mokslininkai, dalyvaujantys iš esmės visų krypčių tyrimuose.

„Saugumo sistemų tobulinimas – truputį pavojinga sritis, todėl ne viskas sakoma ir skelbiama, – pabrėžė prof. G. Valušis. – Juk ir pati saugumo sistema savaime nėra labai viešas dalykas. Pasaulis labai susirūpinęs saugumu, todėl skiriamos lėšos ieškoti būdų, kaip apsaugoti visuomenę ir nepažeisti žmogaus teisių.“

Prieš keliolika metų, kai buvo aptikta tuo metu visai nauja terahercinė spinduliuotė ir mąstyta, kur ją galima pritaikyti, per pirmąjį eksperimentą tyrinėtas augalo lapas. Mažėjant jo drėgmei, keitėsi ir matomas vaizdas lapą apšvietus. Vadinasi, spinduliuote galima nustatyti ir maisto kokybę, drėgmę. Arba aptikti sprogmenis, paslėptus, pavyzdžiui, muilo gabalėlyje ir niekieno nematomus. Būtent apie tokius projektus mokslininkai ir nekalba garsiai.

Dar vienas svarbus dalykas – terahercinės spinduliuotės prietaisai nekenkia žmogaus sveikatai. Štai rentgenu pavojinga dažnai šviesti žmogų, o terahercinė spinduliuotė leistų stebėti ir nesunkiai kontroliuoti, tarkim, kaip dantų implantas suauga su kaulu ar kitus žmogaus organizme vykstančius sudėtingus procesus. Kol kas nėra sukurta tokių kompaktiškų komercinių sistemų, kurias būtų galima naudoti kad ir odontologo kabinete. Reikia ir paties šaltinio, kuris šviestų. Vis dėlto tyrėjai neabejoja, kad jau greitai tokių sistemų atsiras.

Dėl „peteliškės“

FTMC Terahercinės fotonikos laboratorijoje su terahencine spinduliuote susiję tyrimai pradėti maždaug prieš dešimt metų, kai iš Vokietijos grįžo habil. dr. G. Valušis. Jo mokslinių interesų sritys – terahercų fizika, spektroskopija ir vaizdinimas, puslaidininkinės kvantinės struktūros ir puslaidininkinių prietaisų fizika. Dar 1995-1996 metais mokslininkas kaip postdoktorantas stažavo Drezdeno technologijos universiteto Taikomosios fotofizikos institute, o 2000 metais, gavęs Alexanderio von Humboldto stipendiją, – Johanno Wolfgango Goethe’s universiteto Fizikos institute Frankfurte.

„Nusprendėme imtis panašios tematikos kaip visas pasaulis, bet dirbti truputį kitaip. Jie naudojo kitokio tipo lazerius. Mums pasisekė, kad Krašto apsaugos ministerija, kai Lietuva stojo į NATO, skyrė pinigų optiškai kaupinamosios terahercinės spinduliuotės lazeriui įsigyti. Vėliau laimėjome NATO projektą ir pamėginome sukurti pirmuosius jutiklius. Išbandėme, ar veiks „peteliškių“ idėja terahercų dažniu. Kolegų dar ankstesnis konceptualus darbas parodė, kad ji veikia tokiu dažniu kaip mobiliųjų telefonų bangos, tačiau terahercų dar niekas nebuvo bandęs“, – prisiminė G. Valušis.

Paprasčiau sakant, mobiliojo telefono spinduliuotės dažnis yra tūkstantis milijonų hercų, o terahercas yra milijonas milijonų hercų, t. y. terahercinė spinduliuotė yra net tūkstantį kartų didesnio dažnio. FTMC mokslininkai pirmąjį eksperimentą atliko Frankfurte. Pamatę, kad jų „peteliškė“ veikia, nusprendė ištirti, ir kaip ji veikia. Tolesni eksperimentai parodė, kad veikia labai plačioje dažnių juostoje, bet jautris buvo labai mažas. Ėmus „peteliškę“ tobulinti, atsirado silicio lęšiai, kita medžiaga, nes pradžioje jutiklis buvo padarytas iš galio arsenido ir aliuminio galio arsenido. Vėliau nuspręsta, kad ir taip nėra visai gerai. Jutiklis turi veikti esant kambario temperatūrai, todėl padaryta indžio galio arsenido „peteliškė“. Sumažinę ją, patobulinę dizainą ir uždėję anteną, mokslininkai įsitikino, kad jų sukurta „peteliškė“ veikia labai gerai.

Grupėje nuo pat pradžių dirbo Terahercinės fotonikos laboratorijos vyresnysis mokslo darbuotojas dr. Dalius Seliuta, 1996 metais kaip postdoktorantas stažavęsis Karališkajame technologijos universitete Stokholme, Švedijoje, o 2000-aisiais – Weizmanno mokslo institute Izraelyje. Pirmiausias darbas laboratorijoje, kaip juokaudami prisiminė tyrėjai, buvo specialių užuolaidų projektavimas ir gaminimas, nes tinkamai neužtemdę langų tiesiog negalėjo dirbti. Reikėjo aklinos tamsos.

Jau pradėjus NATO finansuojamą projektą į grupę atėjo Terahercinės fotonikos laboratorijos vyresnysis mokslo darbuotojas dr. Irmantas Kašalynas, 2006 metais kaip podoktorantas stažavęsis Delfto technologijos universitete Olandijoje. Jo ir D. Seliutos mokslinių interesų sritys – taip pat terahercų spektroskopija ir vaizdinimas bei puslaidininkinių prietaisų fizika.

Į darbą įsitraukė ir iš užsienio grįžęs FTMC Fotoelektros laboratorijos vadovas prof. dr. Vincas Tamošiūnas. Jis 2002-2003 metais kaip podoktorantas stažavosi Vienos technologijos universitete Austrijoje. Mokslininko interesų sritys – matematinis modeliavimas ir puslaidininkinių prietaisų fizika.

FTMC doktoranto Rimvydo Venckevičiaus, šiemet baigusio magistrantūros studijas Vilniaus universiteto (VU) Fizikos fakultete diplomu magna cum laude, mokslinių interesų sritys – terahercų spektroskopija ir vaizdinimas bei puslaidininkinės kvantinės struktūros. Jaunasis mokslininkas stažavosi J. W.Goethe’s universiteto Fizikos institute Frankfurte.

Patį eksperimentą atliko FTMC doktorantas Linas Minkevičius, diplominio darbo tema kaip tik ir pasirinkęs terahercinės spinduliuotės jutiklių sukūrimą, charakterizavimą bei panaudojimą vaizdinimo sistemose. Jaunasis tyrėjas taip pat šiemet baigė magistrantūros studijas VU Fizikos fakultete diplomu magna cum laude. Terahercinės fotonikos laboratorijoje jis dirba trejus metus. Jau spėjo įgyti ir technologinių žinių optinės litografijos bei medžiagų apdorojimo srityse, ir eksperimentinių įgūdžių dirbti su tolimosios infraraudonųjų spindulių srities lazeriais bei elektroniniais terahercų šaltiniais ir optiniais komponentais. Dvidešimt penkerių metų mokslininkas taip pat perėmė įvairius matematinio modeliavimo metodus. Jo gauti moksliniai rezultatai yra pristatyti keliolikoje mokslinių konferencijų. L. Minkevičius jau yra trijų mokslinių straipsnių, paskelbtų Lietuvos ir užsienio mokslo leidiniuose autorius. Aktyvus nacionalinių ir tarptautinių projektų dalyvis stažavosi J. W.Goethe’s universiteto Fizikos institute Frankfurte.

Proveržio link

„Pradėjome pasiskirstyti, kas ką daro. Irmantas – daugiausia spektroskopijos specialistas. Dalius ėmėsi žematemperatūrių lazerinių tyrimų. Teoretikas Vincas yra skaičiavimo virtuozas, – vardijo tyrėjų grupės vadovas. – Ir staiga matome, kaip viskas įsivažiavo. Laimėjome vieną, kitą tarptautinį projektą. Taip užsimezgė ryšiai su Prancūzijos Monpeljė universitetu, Lidso ir Mančesterio universitetais Anglijoje. Dar nuo mano podaktarinių studijų laikų, kai Drezdeno technologijos universitete tyrinėjome puslaidininkines nanostruktūras, bendradarbiaujame su Fraunhoferio taikomosios kietojo kūno elektronikos institutu Freiburge. Jo mokslininkai daugelį metų mums augino visokias sugalvotas medžiagas.“

Kai Lietuva dar nebuvo NATO narė, projekto koordinatoriai buvo vokiečiai, konkrečiai, G. Valušio mokslinio darbo vadovas J. W.Goethe’s universiteto profesorius dr. Hartmutas G. Roskosas. Lietuviams dalyvavimas šiame projekte kaip partneriams suteikė galimybę įsigyti visą dabar turimą aparatūrą. Iš esmės nuo 2001-ųjų ir prasidėjo kilimas. Laimėti NATO, Europos ir JAV oro pajėgų remiami projektai, skirti tiek vaizdinimo sistemų, tiek pačių kvantinių struktūrų tyrimams, ir leido sukurti unikalius prototipus.

„Atėjęs dirbti į Terahercinės fotonikos laboratoriją, pirmiausia pakliuvau pas Vincą. Pradėjome modeliuoti optimalių jutiklio dizainą, nes norėjome atsisakyti labai brangiai kainuojančio silicio lęšio, – prisiminė doktorantas L. Minkevičius. – Tada pradėjome eksperimentą. Ėmėme tirti pirmųjų kolegos Rimvydo pagal mano sukurtą dizainą Frankfurte pagamintų jutiklių savybes. Vėliau pats nuvažiavau į Frankfurtą ir toje pat prof. H. G.Roskoso grupėje pagaminau jutiklius. Tada ištyriau jų savybes ir pritaikiau. Pamatėme, kad veikia palyginti gerai esant kambario temperatūrai.“

Kaip patikslino prof. G. Valušis, įvairūs kvantiniai reiškiniai pasirodo esant labai žemai, maždaug minus 200 laipsnių temperatūros, o šiuo atveju ypač svarbu, kad prietaisus būtų galima taikyti, tarkim, ir oro uostuose, t. y. sistema veiktų ir esant kambario temperatūrai. Jaunajam mokslininkui kaip tik ir pavyko tai padaryti.

Sėkmingi sprendimai

Prof. G. Valušio vadovaujama tyrėjų komanda jauna. Visi mokslo daktarai nesusigundė likti užsienyje, grįžo į Lietuvą. Dar ir studentai patraukiami įdomiu darbu ir galimybe dalyvauti įvairiuose projektuose gaunant atlyginimą. Jaunuosius tyrėjus taip pat stengiamasi įtraukti į tarptautinius projektus, kad galėtų padirbėti kolegų laboratorijose užsienyje, jei trūksta kokios nors aparatūros arba nepavyksta ko nors padaryti čia. Dėl to darbas tampa labai efektyvus ir mobilus. Į Terahercinės fotonikos laboratoriją taip pat atvyksta padirbėti kolegų iš užsienio: Baltarusijos, Anglijos, Vokietijos, Prancūzijos.

„Ne tik mes važiuojame ir pas mus yra srautas žmonių, – džiaugėsi FTMC Terahercinės fotonikos laboratorijos vadovas. – Turime įrangą, kokios kiti neturi. Dabar vaizdinimo sistemoms kaip tik tokios ir reikia, todėl tyrėjai važiuoja į Vilnių ir užsidaro laboratorijoje dviem savaitėms.“

Mokslininkų įžvalga padėjo ne tik įsigyjant reikalingą brangų lazerį, bet ir kuriant jutiklius. Atrodytų, technologija palyginti paprasta, o veikia tikrai gerai. Dabar tyrėjai eina truputį į kitą sritį, kuri, galima sakyti, jau yra ties verslo riba.

„Nebe toks svarbus tampa pats mokslas, kai ta sistema gali būti kur nors įdiegta, – kalbėjo prof. G. Valušis. – Turime dar visokių keistų idėjų pagerinti jutiklius ir padaryti prototipą – plokštelę, kuri galėtų „matyti“ paslėptus vaizdus, tarkime, oro uoste ar pašte.“

Kol kas vaizdinimas užtrunka ilgai. Pavyzdžiui, viso lapo vaizdas užrašomas per penkiolika minučių, nes skenuojamas po vieną tašką. Ir lietuviška moneta buvo nuskenuota dar tokiu būdu. Mokslininkai nori sukurti sistemą, kuri veiktų kaip fotoaparatas. Spragteli – ir matomas visas vaizdas. L. Minkevičiui jau pavyko pasiekti, kad iš karto galima skenuoti aštuonis taškus. Apie tokių matricų veikimą I. Kašalynas skaitė pranešimą rugsėjo pabaigoje vykusioje tarptautinėje konferencijoje Hiustone, JAV. Iš viso šioje prestižinėje konferencijoje FTMC tyrėjai skaitė net keturis pranešimus.

Mokslininkai pasiryžę praktiškai taikyti sėkmingas idėjas ir sukurti patį produktą. Pavyzdžiui, dabar lęšiukas kainuoja keliasdešimt eurų. Norint sukurti komercinę sistemą, ją reikia piginti. Ieškoma, kuo pakeisti brangų lęšiuką, kad sistema būtų ir pigi, ir efektyvi. Teoriniais L. Minkevičiaus skaičiavimais, atrodo, viskas išeina, tačiau praktiškai pataikyti, pasak jaunojo tyrėjo, – gana sudėtinga. Gaminant reikia garantuoti ypatingą, kelių tūkstantųjų milimetro dalių tikslumą. Sukurtą prototipą jau būtų galima įdiegti technologiškai ir tokius produktus gamintų, kaip patikino prof. G. Valušis, tik Lietuvos pramonė. Parduoti technologiją, tokias unikalias mokslines žinias ir praktinę patirtį, paprasčiausiai būtų nenaudinga. Tokiais atvejais visada daug kas slepiama. Ne viską atskleidžia ir FTMC tyrėjai. Jie tiki sėkme. Dar yra problemų, tačiau jos visos išsprendžiamos.

Tarp kitų Terahercinės fotonikos laboratorijos projektų vienas susijęs su saulės elementais. Jiems charakterizuoti taip pat bus mėginama taikyti terahercinės spinduliuotės savybes. Dar vienas projektas greičiausiai bus susijęs su medicinos tyrimais. Kuriamas bendras su Frankfurto ir Izraelio mokslininkais projektas pritaikyti terahercinę spinduliuotę ankstyvajai odos vėžio diagnostikai. Viena didžiausių problemų – aptikti vėžį dar pradinės stadijos. Paprastai odos vėžys formuojasi maždaug keturių milimetrų gylyje. Šiuolaikinė įprastinė medicinos aparatūra „mato“ tik du milimetrus. Panašu, kad FTMC mokslininkų sukurta metodika leistų matyti keturis milimetrus. Terahercinė spinduliuotė labai jautri drėgmei, o vėžio ląstelės truputį pakeičia vandens koncentraciją organizme. Taip tyrimų tematika šakojasi į skirtingus taikymo aspektus. Taikomiesiems darbams vėl reikės naujo doktoranto. Šį kartą – jau mediko.