Nagrada za kvantno oblikovanje novih snovi

Balzanova nagrada, vredna 750 tisoč švicarskih frankov, je eno od številnih uglednih mednarodnih priznanj. Letos jo je dobil Federico Capasso, izročil pa mu jo je italijanski predsednik Sergio Mattarella. Capasso je vodja katedre za uporabno fiziko na univerzi Harvard in lastnik več kot 60 patentov.

Balzanova fundacija je Capassu podelila nagrado za pionirsko delo pri kvantnem oblikovanju novih snovi s specifičnimi elektronskimi in optičnimi lastnostmi, ki je pripeljalo do povsem nove vrste laserja: kvantnega kaskadnega laserja. Prav tako je prispeval k znanosti o plazmonih in metasnoveh, ki v fotoniki odpirajo nova znanstvena in tehnološka obzorja.

Kvantni kaskadni laser je eden najpomembnejših rezultatov tako imenovanega kvantnega inženiringa. S tem pojmom je mišljeno nadzorovanje elektronskih lastnosti snovi na stopnji nanometrov, kjer s pomočjo epitaksije molekularnega snopa naraščajo ultratanki sloji polprevodnih snovi. Zaradi velike sile, ki jo je mogoče dobiti že pri sobni temperaturi, ter možnosti prilagajanja širokega obsega valovne dolžine brez spremembe vrste snovi je ta tip laserja široko uporaben.

Zelo primeren je denimo za zaznavanje toksičnih plinov in pare v sledeh, nadzor nad onesnaženjem, neinvazivno medicinsko diagnostiko (na primer za analizo daha), pri komunikacijskih napravah za prenos podatkov skozi transparentna atmosferska okna, laserskih spektometrih za raziskovanje vesolja in na področju javne varnosti (zaznavanje eksploziva). Zamisel o taki napravi sta že leta 1971 objavila Rusa Rudolf Kazarinov in Robert Suris. Prvi delujoči kvantni kaskadni laser so izdelali leta 1994 v družbi Bell Laboratories, v skupini pod Capassovim vodstvom. V njej je imel veliko vlogo tudi Jérôme Faist, ki je danes profesor na univerzi za tehnologijo in matematiko ETH v Zürichu.

Federico Capasso se je rodil leta 1949 v Rimu, od leta 1992 pa je državljan ZDA. Leta 1976 je odšel delat v Bell Laboratories in tam ostal vse do leta 2002, ko je zasedal položaj podpredsednika za raziskave v fiziki. Od leta 2003 je na Harvardu vodja katedre za uporabno fiziko in višji znanstveni sodelavec za elektrotehniko.

Njegova skupina na Harvardu nadaljuje intenzivne raziskave novih virov koherentne svetlobe z uporabo nelinearnih optičnih učinkov.

Navsezadnje pa je Capasso tudi lastnik več kot 60 patentov. Z njim smo se pogovarjali 17. novembra v Rimu, le nekaj ur po tem, ko so mu na Kvirinalu izročili Balzanovo listino.

Ob prejemu nagrade ste se zahvalili ženi in obema hčerama za več desetletij dolgo potrpljenje in razumevanje. Ali vam je uspelo navdušiti hčeri za znanstveno kariero?

Poznata to, s čimer se ukvarjam, a se nista odločili za naravoslovje. Ena dela v bančništvu, je podpredsednica Citigroupa v New Yorku, druga pa živi v Denverju in je menedžerka v velikem živilskem koncernu. Zanimanje za znanost je strast, tako kot na primer pri glasbi. Ne morete je predvideti.

Za čim se je ozirala in se še ozira vaša znanstvena strast?

Ukvarjam se z »oblikovalsko znanostjo«. Za »oblikovanje narave« uporabljam nanotehnološka orodja. Ustvarjamo snovi, ki imajo specifične lastnosti in so neredko popolnoma nove, nato pa poskušam odgovoriti na vprašanje, kaj bi lahko z njimi počeli. V bistvu zastavljam temeljna vprašanja.

Katera so vaša aktualna vprašanja – in odgovori?

Ko gre svetloba skozi dva medija, pride do refrakcije, loma svetlobe. Vprašal sem se, kako se bo svetloba lomila, če naredimo iz nove snovi površino, metapovršino, ki je strukturirana v veliko manjšem razmerju kakor pa valovna dolžina svetlobe.

Na osnovni stopnji se svetloba ravna po zelo elegantnem zakonu, ki ga je odkril znan matematik iz 17. stoletja Pierre de Fermat. Pot, ki jo žarek svetlobe preide med dvema točkama, je vedno pot, za katero je potrebno najmanj časa. Na podlagi tega smo poskušali narediti mikropovršinsko strukturo, ki bo lomila svetlobo na nov način. Ponavljam, svetloba gre vedno po poti najmanjšega časa. Temeljni zakoni se ne spreminjajo, spreminjajo pa se koti, pod katerimi gre svetloba od enega do drugega medija. V tem je lepota in eleganca znanosti – temeljna zakonitost je ista, toda njeno izražanje je na novi površini drugačno.

Kako je drugačno?

Primer tega splošnega principa je izdelava skoraj popolnoma ploske leče. Poglejte v objektiv fotoaparata, ki svetlobo iz različnih kotov združuje v en fokus. Leče objektiva so ukrivljene. Če me vprašate, kako se lahko svetloba lomi na ploski leči, vam bom odgovoril, da lahko to dosežemo tako, da površino leče strukturiramo na določen način. Njeno površino lahko oblikujete tako, da je čas prehoda svetlobe enak, ne glede na kot, iz katerega pride svetloba do leče. Razlog je v tem, da takšna, na novo oblikovana površina povzroči zakasnitev v emisiji svetlobe.

Rezultat, dosežen z novo snovjo, je leča, ki da manj popačeno sliko kot običajna leča. Poleg tega lahko naredite tovrstno lečo veliko tanjšo. S sodelavci sem letos junija v reviji Science objavil članek o tem. Na spletu si lahko ogledate odličen dveminutni popularnoznanstveni filmček – v youtube vpišite »metalens«. Stvar je v tem, da se za izdelavo ravnih leč uporabljata enak proces in enaka proizvodna tehnologija kot pri silicijevih čipih. Lahko jih bomo naredili še tanjše. Namesto pet ali šest, kolikor jih imate danes v telefonu, bodo po mojem mnenju potrebne samo dve ali tri. Prepričan sem, da bodo omogočile še tanjše telefone in da bodo stale veliko manj.

Domnevamo, da vas po objavi članka še pogosteje kličejo predstavniki znanih korporacij in drugi podjetniki, ki jih zanimajo nove tehnološke rešitve.

Da, to bi bilo lahko revolucionarno. Vzbudili smo veliko zanimanje številnih podjetij.

Iz katere panoge jih je največ?

Ena od njih je seveda mikroskopija. Začeli smo na primer pogajanja z Zeissom. Drugič, zadeva je primerna za kamere v prenosnih in drugih računalnikih, pa tudi za tisto, kar imenujemo »machine vision«, skeniranje z laserskimi senzorji, običajno za iskanje razpok. Tako je mogoče izdelati kontaktne leče. Vsekakor pa je tukaj še razširjena oziroma navidezna resničnost, kjer so za mešanje rdeče, zelene in modre barve prav tako nujno potrebne leče. Tudi na tem področju uporabe smo glede ploskih leč zelo blizu rešitve.

Uvrščate tudi vojsko med zainteresirane stranke?

Kaskadni kvantni laserji so v uporabi v raznih senzorjih, ki se uporabljajo v vojaške namene. Ploske leče so zelo primerne za različne optične naprave, še posebej naprave za nočno opazovanje.

Na katera vprašanja boste še poskušali dati znanstveni odgovor?

S sodelavci merimo optične sile, ki delujejo na metastrukture. Zmožni smo meriti optične sile, manjše od enega femtonewtona, sile, ki bi vplivala na prašni delec, velik kot ena celica človeškega organizma, ko ga osvetli sončna svetloba.