Martin Kozák z MFF UK se snaží posunout možnosti elektronové mikroskopie dál, aby mikroskopy „viděly“ přesněji a aby bylo možné elektrony ovládat jemněji než dosud. Na výzkum získal ERC Starting Grant eWaveShaper. Za jeden z dílčích výsledků tohoto projektu nyní jeho tým obdržel Cenu Wernera von Siemense.
Ve svém výzkumu propojujete světlo a elektrony a snažíte se velmi přesně řídit něco, co je samo o sobě těžko uchopitelné. Co na tom fascinuje nejvíc?
Asi fakt, že světlo i elektrony nám umožňují, oba svým vlastním způsobem, dostat se k hranicím fyzikálního poznání. U světla je pro nás klíčovou veličinou čas, protože díky velmi krátkým laserovým pulzům můžeme fyzikální děje sledovat a řídit s mimořádnou časovou přesností. Elektrony nám naopak umožňují zobrazovat s vysokým prostorovým rozlišením. V nejlepších elektronových mikroskopech je díky nim možné vidět i jednotlivé atomy a zároveň zkoumat, co se v materiálech odehrává.
Právě spojení časové přesnosti světla a vysokého prostorového rozlišení elektronů je pro mě na tom tak přitažlivé. Můžeme díky němu sledovat například rozložení optického pole v okolí nanostruktur a fotonických materiálů. To nám pomáhá porozumět jejich fungování na mikroskopické úrovni.
Vaším cílem tedy je spojit časovou přesnost světla s prostorovou přesností elektronů?
Ano, právě o to se snažím už téměř deset let. Spojit tyto dvě věci dohromady s cílem vyvíjet nové metody, díky nimž bude možné sledovat fyzikální procesy zároveň velmi detailně v prostoru i velmi přesně v čase.
Když ale chcete spojit takto přesné prostorové zobrazení i s vysokým časovým rozlišením, běžný elektronový mikroskop už nestačí, je to tak?
Ano. U klasického mikroskopu máme velmi dobrou kontrolu nad prostorovým rozlišením, protože elektronový svazek lze zaostřit na extrémně malou stopu, takže je možné zkoumat i jednotlivé atomy. Nemáme ale stejnou kontrolu nad tím, kdy přesně elektrony na vzorek přilétají. Elektronový mikroskop k tomu má vlastní prostředky, konkrétně elektronovou optiku, která svazek fokusuje a zároveň s ním různým způsobem pracuje. Dá se to trochu připodobnit ke starým CRT obrazovkám, kde elektronový svazek přejížděl po obrazovce a vytvářel obraz.
Tady je ale situace mnohem náročnější v tom, že svazek musí být zaostřený do extrémně malé stopy. Jednou z největších výzev elektronové mikroskopie je proto stabilita. S oblibou používám přirovnání, že trefit jeden atom na vzdálenost asi čtyřiceti centimetrů, což odpovídá délce tubusu mikroskopu, je podobné, jako kdybyste se z Měsíce snažila trefit pětikorunu.
Je vůbec možné takovou přesnost v elektronové mikroskopii udržet?
Právě to je jedna z velkých výzev. Elektronová mikroskopie se vyvíjí už téměř sto let a v mnoha ohledech se dostala velmi blízko fyzikálním limitům. Tomu odpovídá i samotná technologie. Přístroje musí být mimořádně stabilní, je nutné potlačovat magnetický i elektrický šum a pracovat s velmi pečlivým stíněním. V řadě oblastí už se tedy přesnost neposouvá snadno a je potřeba hledat nové cesty.
Dlouhou dobu se vývoj elektronových mikroskopů soustředil hlavně na to, aby bylo možné zobrazit co nejmenší struktury s co nejvyšším rozlišením. My se snažíme přidat ještě další rozměr, a sice čas. Zajímá nás, co se v materiálu děje ve chvíli, kdy na něj dopadne světlo a nějakým způsobem ho vybudí. Elektrony v materiálu na to začnou reagovat, a právě tuto dynamiku bychom chtěli sledovat na velmi krátkých časových škálách.
Používáte k tomu tedy nějaký vylepšený elektronový mikroskop?
Ano, spíš upravený. Pořídili jsme v zásadě téměř standardní elektronový mikroskop, ale doplnili jsme ho o femtosekundový laser. Ten jsme zavedli jednak do zdroje elektronů a zároveň také do komory, kam se vkládají vzorky. V této upravené sestavě pak provádíme například i experimenty, za které se nám nedávno podařilo získat Cenu Wernera von Siemense.
Dělá se podobný výzkum i jinde ve světě?
Časově rozlišená elektronová mikroskopie se začala výrazně rozvíjet na Caltechu (California Institute of Technology je prestižní americká technická a přírodovědná univerzita v Pasadeně v Kalifornii patřící ke světové špičce ve výzkumu fyziky, chemie, astronomie – pozn. red.) zhruba od roku 2000. Až donedávna se většina výzkumu soustředila hlavně na transmisní elektronové mikroskopy, tedy přístroje, které vzorek prosvěcují a obraz dál zpracovávají pomocí další optiky.
V posledních letech se obor rozvíjí i dalšími směry, například k nižším energiím elektronů, ale to už jsou spíš technické detaily. Podstatné je, že ve světě jde stále o poměrně úzkou a specializovanou oblast.
Jak si tedy stojíte v tomto kontextu vy?
V českém prostředí je naše sestava zatím unikátní – jiný takový systém tu v tuto chvíli není. Další podobné zařízení se nyní začíná budovat v Brně.
A pokud jde o světové měřítko, těchto experimentálních sestav není mnoho. Odhadem jich je kolem padesáti. Je to tedy obor, který je mezinárodně velmi zajímavý, ale pořád poměrně exkluzivní a soustředěný jen na několik pracovišť.
Je pro vás v něčem přínosné, že podobné pracoviště vzniká i v Brně? Berete to spíš jako inspiraci, nebo i jako zdravý impuls?
Určitě je to pozitivní. Jak jsem říkal, tahle komunita je poměrně malá, takže lidé v oboru většinou dobře vědí, kdo se čemu věnuje, a zatím to funguje spíš tak, že mají tendenci spolupracovat než si vyloženě konkurovat. V tomhle ohledu je to docela přátelské prostředí. Když přijdeme s nějakým nápadem, který by bylo vhodné vyzkoušet na mikroskopu, jaký mají třeba kolegové v Německu, jednoduše jim napíšeme a domluvíme se. Taková spolupráce posouvá obor dopředu, protože neztrácíte čas objevováním něčeho, co už mezitím vyřešil někdo jiný.
Proto je pro nás důležité budovat takovou experimentální sestavu, která je vůči ostatním spíš doplňková než paralelní – aby uměla něco trochu jiného nebo aby stejnou věc dokázala dělat jiným způsobem.
Samozřejmě věda je dnes i konkurenční prostředí. Člověk musí přemýšlet nad tím, jak získávat financování a jak si udržet vlastní výzkumný směr.
Jde tedy také o to najít místo, kde můžete přinést něco nového?
Určitě. Záleží na nápadech, na inspiraci z předchozích výsledků i na realistickém odhadu toho, na co máte kapacitu, prostředky a technické zázemí. A zároveň je ve vědě vždycky přítomné určité riziko. Dost často se ukáže, že směr, který na začátku nevypadal nijak mimořádně slibně, nakonec přinese zajímavější výsledky, než člověk čekal. Překvapení je ve vědě vždycky součástí procesu.
Takže i grantový projekt se může časem posunout jinam, než se původně čekalo?
Ano, to se stává běžně. Třeba u ERC projektu, který nyní řešíme, jsme měli na začátku tři hlavní směry. Dva z nich ovšem mezitím někdo jiný rozpracoval dřív, než se náš výzkum naplno rozběhl. Proto jsme se začali víc posouvat do dalších oblastí. Naštěstí právě u ERC grantů se s tím do určité míry počítá. Jsou nastavené tak, že není zásadní problém, když člověk svůj výzkumný směr během řešení částečně upraví – pokud dál dělá něco dostatečně zajímavého a smysluplného.
Za jeden z dílčích výsledků v rámci grantu ERC jste získali Cenu Wernera von Siemense. V čem je pro vás toto ocenění přínosné?
Kromě toho, že je to samozřejmě velmi příjemné, je to pro náš tým i cenná forma uznání a také dobrá reklama. A to nejen navenek, ve společenském kontextu, ale i uvnitř Matematicko-fyzikální fakulty UK.
V jakém smyslu?
Pořád je potřeba získávat nové studující a podobné ocenění může být jedním z faktorů, které je motivují, aby do naší skupiny přihlásili. Samozřejmě by to neměla být jejich hlavní motivace, ale jako jeden z bonusů to fungovat může. Když se rozhoduje talentovaný student, čemu by se chtěl věnovat, i takovýto veřejný úspěch ho může trochu postrčit.
Z hlediska své skupiny si ale rozhodně nemůžu stěžovat. V tuto chvíli vedu pět doktorandů, tři bakaláře a jednoho diplomanta, takže už máme poměrně široce rozprostřenou síť budoucích pokračovatelů. časově-rozlišené laserové spektroskopii materiálů, takže máme vlastně dvě hlavní tematické linie a dvě laboratoře.
Jak se studenty a studentkami v takto náročném výzkumu pracujete?
Samozřejmě je to vždycky i otázka toho, jak rychle se dokáží osamostatnit. Na začátku je potřeba, aby se hodně učili a postupně získávali zkušenosti. Ideální stav by byl, kdybychom je mohli do laboratoře v podstatě pustit a nechat je, aby se co nejvíc naučili sami. Jenže takhle jednoduše to nefunguje, protože v rámci grantů zároveň potřebujeme i konkrétní výsledky. Je tedy nutné hledat mezi tím rovnováhu.
Nejvíc se mi osvědčilo, když pracují od začátku na několika projektech. Jeden bývá navázán přímo na grant, kde pracují pod větším dohledem nebo s větší podporou a vedle toho dostanou ještě jedno nebo dvě menší témata, která už jsou opravdu víc jejich a další rozvoj záleží hlavně na nich.
Věnujete se základnímu výzkumu. Může mít ale vaše práce i praktické využití?
Právě v projektu, za nějž jsme dostali cenu, jsme ukázali, že vady elektronové optiky lze v určitém režimu elektronového mikroskopu korigovat. Naším cílem teď je tento princip dál rozvinout tak, aby se z něj nestal jen zajímavý experimentální výsledek, ale skutečně využitelný nástroj. Pokud se to podaří, mohl by do budoucna přispět k přesnějšímu zobrazování v elektronové mikroskopii a obecně k lepší kontrole elektronových svazků.
Co zatím brání tomu, aby se tento princip dal využít i v běžnější praxi?
Jedním z problémů při převodu tohoto principu do běžných elektronových mikroskopů je to, že potřebujeme velmi vysokou špičkovou intenzitu světelných vln. Vyjádřeno jako výkon na jednotku plochy jde o hodnoty v řádu terawattů na centimetr čtvereční. A takové intenzity kontinuální lasery samy o sobě nedokážou dosáhnout. Právě proto teď pracujeme na různých způsobech, jak interakci mezi světlem a elektrony zesílit.
V čem by takové řešení mohlo být lepší než to, co se používá dnes?
Současné korektory pro dosažení atomového rozlišení fungují, ale jsou poměrně složité. Obvykle je tvoří soustava několika různě tvarovaných elektromagnetických čoček. Naším cílem je zjistit, zda by podobnou funkci nešlo nahradit něčím mnohem jednodušším, v čemž bychom ke korekci sférické vady zobrazení využívali pouze jedné interakce mezi světlem a elektrony.
Takže i z takto základního výzkumu může časem vyrůst konkrétní aplikace?
Ano, i když bych to takto úplně přímo neřekl. Jsme trochu na pomezí mezi základním a aplikovaným výzkumem. V jádru jde stále o základní výzkum, protože nás zajímá fyzika interakce elektronů s fotony ve volném prostoru. Zároveň je s tím ale spojené velké množství technické práce — je potřeba připravit experimentální sestavu, upravit elektronový mikroskop a vytvořit podmínky, v nichž lze tyto experimenty vůbec provádět.
Právě tato technická řešení se pak mohou promítnout i do praktických aplikací. Podobnou cestou šli například kolegové v Německu, kteří asi před deseti lety vyvinuli způsob kontroly elektronů v určitém typu zdroje elektronového mikroskopu. Později uzavřeli smlouvu s výrobcem elektronových mikroskopů a ten na základě jejich patentů začal nabízet přístroj, který tuto ultrarychlou kontrolu umožňuje.
Firmy ale samozřejmě sledují především to, zda má daná technologie dostatečný komerční potenciál. U takto specializovaných zařízení je to složitější: když se podobných experimentálních sestav po světě prodají jen desítky, jde z jejich pohledu o poměrně úzký segment.
Na čem tedy nejvíc záleží, aby se podobný objev opravdu dostal do praxe?
Nejde jen o to ukázat, že daný princip funguje. Je také potřeba vytvořit podmínky, aby se dal využít v reálném přístroji – tedy vyvinout nové typy mikroskopů nebo jejich součástí, které tuto metodu dokážou spolehlivě využít.
Z hlediska komerčního uplatnění je ale klíčová také poptávka. Nestačí vymyslet, jak by to mohlo fungovat. Je třeba také ukázat, k čemu by to bylo užitečné a proč by o takové řešení měl být zájem.
| doc. RNDr. Martin Kozák, Ph.D. |
| Působí na Katedře chemické fyziky a optiky Matematicko-fyzikální fakulty UK, kde vede skupinu zaměřenou na ultrarychlou laserovou spektroskopii a časově rozlišenou elektronovou mikroskopii pevných látek. Ve svém výzkumu propojuje světlo a elektrony a hledá nové způsoby, jak s jejich pomocí přesněji zobrazovat a zkoumat děje v materiálech. Obdržel ERC Starting Grant eWaveShaper, v jehož rámci buduje nové metody ultrarychlé elektronové mikroskopie a zkoumá možnosti tvarování elektronové vlnové funkce světlem. Letos získal se svým výzkumným týmem Cenu Wernera von Siemense za nejvýznamnější výsledek základního výzkumu, a to za práci o korekci sférické vady elektronových čoček pomocí tvarovaných světelných vln. |
