Nekoreguojami

Nekoreguojami

Nekoreguojami

2021. 04. 27 -

FTMC mokslininkų stipriosios sąveikos tyrimų rezultatai – tarsi Mokslo stebuklas

Prestižiniame De Gruyter leidyklos moksliniame žurnale „Nanophotonics” (IF=7.491) Fizinių ir technologijos mokslų centro (FTMC) mokslininkai dokt. Ernesta Bužavaitė-Vertelienė, dokt. Vilius Vertelis ir prof. dr. Zigmas Balevičius paskelbė publikaciją „The experimental evidence of a strong coupling regime in the hybrid Tamm plasmon-surface plasmon polariton mode”/ „Stipriosios sąveikos tarp Tamm‘o ir paviršinių plazmonų eksperimentinis patvirtinimas“. Šiuos mokslinius tyrimus inicijavo FTMC Lazerinių technologijų skyriaus Plazmonikos ir nanofotonikos laboratorijos doktorantė E. Bužavaitė-Vertelienė ir prof. dr. Z. Balevičius.

„Nanophotonics” publikacijoje paskelbti FTMC mokslininkų fundamentiniai tyrimai - skirti įrodyti stipriosios sąveikos efekto buvimą tarp dviejų hibridinių Tamm’o ir paviršiaus plazmonų poliaritonų sužadinimų. Pasak tyrimo autorių, darbe naudota plazmoninė-nanofotoninė struktūra, sudaryta iš 1D fotoninio kristalo su plonu (40 nm) aukso sluoksniu.

Publikacijos nuoroda: https://www.degruyter.com/.../10.1515/nanoph-2020-0660/html

FTMC mokslininkų grupės tyrinėjamas reiškinys pasižymi unikaliomis sąvybėmis, kurios leidžia sistemai efektyviai keistis energija, todėl šį efektą nanofotoninėse sistemose siekiama pritaikyti nanolazeriuose, naujos kartos optiniuose biojutikliuose bei integruotuose nanofotoniniuose elementuose. FTMC fizikos krypties trečiojo kurso doktorantė Ernesta Bužavaitė – Vertelienė daugiau papasakojo apie atliekamus aktualius fundamentinius tyrimus, siekiamus tikslus ir savo įdomią kelionę mokslo keliu.

Kaip apibrėžtumėte „Nanophotonics” žurnale publikuoto jūsų tyrimo objektą, tematiką, tikslus?

Šiame moksliniame darbe buvo tyrinėta dviejų skirtingų paviršinių plazmoninių sužadinimų tarpusavio sąveika. Šie plazmoniniai sužadinimai - tai dvi paviršinės elektromagnetinės bangos, tam tikromis sąlygomis atsirandančios ant plonų (apie 40 nanometrų storio) metalo sluoksnių, kurios tarpusavyje gali sąveikauti, jeigu tarp jų yra mažas atstumas. Šiame darbe naudojome fotoninę-plazmoninę struktūrą. Tai daugiasluoksnė periodinė struktūra, dar vadinama 1D fotoniniu kristalu (FK) arba Brego veidrodžiu, padengta plonu aukso sluoksniu.

Apšvietę tokią struktūrą poliarizuota šviesa, galime sugeneruoti du plazmoninius sužadinimus, kurie atsiranda skirtingose metalo pusėse: tarp metalo ir oro - paviršinį plazmoną poliaritoną (PPP), o tarp periodinės struktūros ir metalo - Tamm‘o plazmoną poliaritoną (TPP). Tokia dviejų plazmoninių sužadinimų sistema gali būti stipriojoje sąveikoje, tai reiškia, kad sužadinimai gali keistis energija tarpusavyje greičiau nei patiriami nuostoliai ploname metalo sluoksnyje. Matuojant tokių sužadinimų, kurie yra stipriojoje sąveikoje, atspindžio spektrą, galime matyti, kad dėl efektyvių energijos mainų paviršinio plazmono rezonanso pusplotis yra gerokai siauresnis nei pavienio tokio plazmono.

FTMC atliktuose tyrimuose, publikuotus žurnale „Nanophotonics”, naudojome visiško vidaus atspindžio elipsometrijos metodą, kurio optinėje schemoje buvo įterpti optiniai filtrai. Šie filtrai nepraleidžia tam tikro šviesos spektro ruožo, tad tinkamai juos parinkę, galime nufiltruoti spektrą taip, kad būtų generuojama tik vieno plazmoninio sužadinimo komponentė hibridinėje modoje. Jeigu sistema yra stipriojoje sąveikoje, tai plazmoninis sužadinimas bus matomas nepakitęs, toje pačioje spektro vietoje, kaip kad nenufiltravus spektro. Būtent šiame darbe atlikti eksprimentiniai tyrimai, naudojant tokį metodą, parodė, kad sistema yra stipriojoje sąveikoje.

Stipriosios sąveikos efektą galima pritaikyti jutiklių gamyboje, optinėse grandinėse, o svarbiausia - ir naujos kartos plazmoniniuose nanolazeriuose, kurie dar vadinami SPACER. Tai yra naujos kartos lazeriniai spinduliuotės šaltiniai, kurie šiuo metu yra kuriami ir testuojami mokslinėse laboratorijose.

Ernesta, kas jus paskatino gilintis į šią sritį: kaip gimė pirminė tyrimo idėja ir kodėl su komanda ją pavadinote „stebuklu“?

Su darbo vadovu FTMC prof. dr. Zigmu Balevičiumi „stebuklu“ juokaudami pradėjome vadinti pačią idėją, kad tarp dviejų plazmoninių sužadinimų, esančių stipriosios sąveikos režime, abu plazmoniniai sužadinimai egzistuos, nepriklausomai nuo to kurią komponentę generuosime. Nors pagal stipriosios sąveikos apibrėžimą tai yra akivaizdu.

Šiaip šis efektas sutinkamas įvairiose sistemose, nuo mechaninių iki kvantinės mechanikos. Vienas paprastesnių pavyzdžių yra švytuoklės sujungtos tarpusavyje jungtimi: jeigu pajudinsime vieną švytuoklę, po kažkiek laiko pradės judėti antroji, o pirmoji sustos. Tačiau toks procesas kartosis, kai viena švytuoklė perduoda energiją kitai. Dėl jungties tarp švytuoklių jos yra stiprioje sąveikoje. Taip pat yra ir su fotonais - šviesos dalelėmis, kurios, sąveikaudamos su medžiaga tam tikromis sąlygomis, sukuria hibridines fotono ir elektrono, esančio medžiagoje, būsenas, vadinamas plazmonų poliaritonais.

Pasirodo, galima sukurti tokią nanofotoninę struktūrą, kurioje du tokie plazmoniniai sužadinimai sąveikautų vienas su kitu per labai trumpą laiką (femtosekundes), perduodami vienas kitam energiją be nuostolių, labai panašiai kaip ir dviejų švytuoklių sistemoje. Tyrimų, kuriuose analizuojama stiprioji sąveika tarp plazmono ir eksitono, yra nemažai. Tačiau mūsų komandos paskelbtame tyrime pirmą kartą eksperimentiškai buvo įrodyta, kad stiprioji sąveika egzistuoja ir tarp dviejų plazmoninių sužadinimų, kurie sukuria naują hibridinę plazmoninę modą. Tokiai plazmoninei modai generuoti užtenka sužadinti tik vieną jos komponentę, ir, jei sistema yra stiprioje sąveikoje, visada sužadinamos abi hibridinės modos komponentės.

Kokių svarbių rezultatų pavyko pasiekti šių mokslinių tyrimų metu?

Pademonstravome, kad stipriąją sąveiką galima ištirti sąlyginai nesudėtingais spektriniais metodais, kai yra panaudojami optiniai filtrai. Taip pat parodėme, kaip keičiant paviršinių plazmoninių bangų žadinimo sąlygas galima valdyti sąveikos stiprumą tarp jų ir kaip dėl to keičiasi pačių sužadinimų savybės.

Tai puikus būdas, parodantis, kaip galima valdyti tokius sužadinimus. O tai reiškia, kad taikydami juos anksčiau minėtose srityse, galime valdyti chemines reakcijas, optinių jutiklių jautrumą bei pritaikyti plazmoninius sužadinimus fotoniniuose prietaisuose. Kitaip tariant, galima sukurti įtaisus, kurių efektyvumas yra didesnis nei šiuo metu esančių prietaisų. Labai džiaugiamės, kad šiuos rezultatus mums pavyko atspausdinti prestižiniame žurnale „Nanophotonics“.

FTMC doktorantė Ernesta Bužavaitė-Vertelienė

Sakėte, kad jūsų atliekami tyrimai – fundamentiniai, tačiau labai aktualūs visuomenei dėl plataus pritaikymo galimybių įvairiose srityse. Paaiškinkite išsamiau, kaip šie atradimai, pritaikyti realiame gyvenime, patobulintų įvairius technologinius procesus, pagerintų medicininę diagnostiką, cheminių procesų stebėjimą ir valdymą, informacijos perdavimą ir kt.?

Kaip minėjau, plazmoniką, stipriosios sąveikos režimą nanofotoninėse-plazmoninėse struktūrose galima taikyti įvairioms sritims: kurti jautresnius biojutiklius, greitesnes optinės informacijos perdavimo sistemas – greitesnius kompiuterius bei naujos kartos lazerius, taip pat valdyti chemines reakcijas.

Jau esame atlikę tyrimus, kurių metu tokie hibridiniai plazmoniniai TPP-PPP sužadinimai ir stipriosios sąveikos efektas buvo panaudoti optiniuose biojutikliuose, kur tokie jutikliai yra jautresni už standartinius pavienių plazmonų jutiklius, ir leidžia detektuoti mažesnes baltymų koncentracijas.

Tad medicinai, imunologijai – mūsų, FTMC komandos atliktų mokslinių tyrimų rezultatai, yra itin aktualūs, ypač šiuo metu, siaučiant koronaviruso pandemijai. Panaudodami stipriąją sąveiką tarp plazmoninių sužadinimų, galime nustatyti mažesnes viruso ar antikūnų koncentracijas ir tirti jų tarpusavio sąveiką. Mūsų gauti rezultatai gali palengvinti įvairių virusų ir žmogaus imuninio atsako tyrimus. Iš antikūno-antigeno sąveikų (imuniteto reakcijų į virusą) galima nustatyti kinetines konstantas, kurios nusako kaip greitai imunitetas reaguoja į virusą. Taikydami stipriosios sąveikos efektą, galėtume aptikti itin mažas viruso arba antikūnų koncentracijas. Taip pat galime tirti įvairių vaistinių preparatų efektyvumą pirminėse jų kūrimo stadijose. Tokie inovatyvūs plazmoniniai-nanofotoniniai biojutikliai galėtų būtų žymiai greitesnis bei daugkartinio naudojimo virusų detekcijos metodas.

Kokiose dar srityse pritaikyti jūsų moksliniai atradimai, leistų palengvinti ir efektyvesniais padaryti sudėtingus procesus: minėjote naujos kartos vaistų kūrimo procesus, biologinių sistemų tyrimus ir kt.?

Stiprioji sąveika gali būti naudojama įvairių cheminių reakcijų valdymui. Pvz., tiriant įvairias biologines sistemas, dalis naudojamų metodų matavimo metu sukelia tam tikras chemines reakcijas, kurios keičia biologinio objekto, tarkime, ląstelės, savybes. Tačiau pritaikę stipriąją sąveiką, tas nepageidaujamas fotochemines reakcijas galime slopinti. Vienas tokių nepageidaujamų cheminių reakcijų yra fotobalinimas.

Pritaikius stipriąją sąveiką, galima valdyti nepageidaujamą fotobalinimo efektą. Tiriant ląsteles, pvz. vėžinių ligų, naudojami liuminescenciniai markeriai tokioms ląstelėms žymėti. Šie markeriai - tai molekulės, kurios ląstelėje jungiasi prie tam tikrų jos dalių, o apšvietus tokią ląstelę UV šviesa, jos ima šviesti tam tikra spalva. Tačiau UV šviesa gali paspartinti molekulių chemines reakcijas, todėl vaizdas, kurį matysime, bus kitoks nei buvo pačioje ląstelėje. Šią problemą įveiktume į pagalbą pasitelkę stipriosios sąveikos efektą, kuriuo galime valdyti šias chemines reakcijas. Tuomet „nereikalingos“ reakcijos nebevyktų ir matytume tikrąjį vaizdą.

Dar šiuos sužadinimus bei struktūras galima taikyti įvairioms dujoms, nuodingiems garams nustatyti, pvz., pavojingų gyvsidabrio garų detekcijai ar netgi įvairių cheminių junginių susidarymo, atsiskyrimo stebėjimui realiu laiku.

O kaip galėtų pasikeisti šiuolaikinės technologijos, informacijos srautų valdymas? Tai labai aktualu šių dienų visuomenei.

Taip, dar vienas potencialus stiprios sąveikos pritaikymas yra optiniai grandynai: informacijos perdavimo sistemos (šviesolaidis internetas) bei kompiuterinės technologijos, kuriant kvantinius kompiuterius. Tai leistų sparčiau ir su mažesniais energijos nuostoliais perduoti informaciją.

Jau sakiau, kad šie sužadinimai ir stiprioji sąveika gali būti taikoma gaminant nanolazerius - labai mažų matmenų plazmoninius lazerius. Tai naujos kartos lazeriniai šaltiniai, kurių našumas turėtų būti ženkliai didesnis nei šiuo metu naudojamų lazerių ir jie galės būti integruoti į elektroninius grandynus.

Turbūt vienas mums įdomiausių taikymų yra plazmoniniai lazeriai (SPACER). Tokių lazerių rezonatoriai yra labai mažų matmenų: kelių šimtų nanometrų arba dar mažesni. Lazeriavimas tokiais prietaisais vyksta itin efektyviai, nes taikant plazmoninius efektus galima apeiti difrakcijos ribą, ko padaryti iki šiol nebuvo įmanoma tradiciniuose lazeriuose. Dėl mažų matmenų plazmoninius lazerius būtų galima integruoti į kasdienius prietaisus (telefonai, kompiuteriai) ir į jutiklius. Plazmoniniai lazeriai užimtų mažiau vietos, todėl patys įtaisai, kuriuose jie būtų naudojami irgi būtų maži. Pavyzdžiui, mūsų tyrime naudotos plazmoninės-fotoninės struktūros storis yra apie 850 nanometrų, tai yra 100 kartų mažesnis storis nei žmogaus plauko.

Kodėl šie FTMC mokslininkų tyrimai yra labai svarbūs, ypatingi, vertinant jūsų darbus tarptautiniame kontekste?

Norime pabrėžti, kad mūsų komandos tyrimai ir jų rezultatai yra unikalūs, nes juose demonstruojama, kad žadinant vieną plazmoninio sužadinimo komponentę visada egzistuoja ir kita, jei sistema yra stipriojoje sąveikoje. Iki šiol yra atlikta daugybė tyrimų, kuriais analizuojama stiprioji sąveika tarp pavienio plazmono ir eksitono. Tačiau tokie plazmoniniai sužadinimai, kur generuojamos dvi skirtingos plazmoninės bangos (Tamm‘o-paviršinio plazmono poliaritono hibridinė sistema) nėra plačiai tyrinėjamos. Pasaulyje yra kelios didesnės mokslininkų grupės Jungtinėje Karalystėje, Suomijoje, Prancūzijoje, JAV, atliekančios stipriosios sąveikos tyrimus. Lietuvoje paviršinių elektromagnetinių bangų tyrimai buvo pradėti dar buvusiame Fizikos institute. Dabar šie darbai tęsiami FTMC Lazerinių technologijų skyriaus Plazmonikos ir nanofotonikos laboratorijoje, kur atliekame priešakinius tyrimus plazmonikos srityje.

Kiek sudėtingas buvo jūsų komandai ir jums, pagrindinei šio tyrimo autorei, visas mokslinis kelias į sėkmingus rezultatus? Ar esate išsikėlę galutinį tikslą, ko siekiate savo tyrinėjimais?

Pirmieji mokslinį klausimą, ar egzistuotų abu plazmoniniai sužadinimai, jei būtų žadinamas tik vienas, kiek anksčiau iškėlė prof. dr. Zigmas Balevičius ir dr. Andrius Paulauskas. Vėliau šią temą pradėjome plėtoti kartu. Galiausiai ši idėja išsivystė iki tokio stiprios sąveikos „patikrinimo“ metodo, kai naudojami filtrai.

Su FTMC prof. dr. Zigmu Balevičiumi atlikome matavimus, išanalizavome gautus duomenis. Kolega doktorantas Vilius Vertelis atliko skaičiavimus, kuriais iš eksperimente gautų atspindžio spektrų, buvo įvertinti stipriosios sąveikos dydžiai. Mums šie tyrimai yra itin svarbūs, nes tokios sąveikos pritaikymas lazeriuose turi didelį potencialą. Norėčiau įgyvendinti šiuo metu esančią svajonę: sukurti plazmoninį lazerį, kuriame būtų panaudojama tokia plazmoninė-fotoninė struktūra ir stiprioji sąveika. Planuojame plėtoti savo tyrimus ir norime pasiektus rezultatus bei įgytas žinias pritaikyti nanolazerinių įtaisų bei biojutiklių kūrimo procesuose.

FTMC doktorantas Vilius Vertelis

Kaip jūs tapote šios mokslo srities tyrėja, kodėl pasirinkote tyrinėti plazmonikos procesus?

Bakalauro ir magistro studijų metu dirbau su organiniais šviesą emituojančiais prietaisais (OLED prietaisais). Teko daug laiko praleisti laboratorijoje: auginau OLED struktūras, tyriau medžiagas, atlikau nemažai optinių matavimų. Jau tada darbas laboratorijoje labai patiko, nes reikėjo įveikti nemažai naujų, įdomių iššūkių. Magistro studijų metu turėjome „Fotonikos“ kursą, kuriam vadovavo dr. Rolandas Tomašiūnas. Ten taip pat kartas nuo karto išgirsdavom apie plazmonus, kurie man pasirodė itin įdomus reiškinys. Likimas vedė šia kryptimi ir toliau: kai buvo skelbiamos doktorantūros temos, viena jų, pateikta FTMC prof. dr. Zigmo Balevičiaus, buvo susijusi su fotonika ir plazmonais. Pakalbėjusi su profesoriumi, tikrai šia tema susidomėjau ir dabar galiu pasakyti, kad labai džiaugiuosi pasilikusi moksle. Noras sužinoti, išsiaiškinti procesus yra geras gyvenimo variklis.

FTMC Plazmonikos ir nanofotonikos laboratorijos vadovas Zigmas Balevičius

FTMC Plazmonikos ir nanofotonikos laboratorijos vadovas prof. dr. Zigmas Balevičius

Kodėl pasirinkote doktorantūros studijas FTMC? Kaip vertinate aplinką ir galimybes kurti bei dirbti būtent čia ir kas paskatino mokslinį kelią tęsti Lietuvoje, ne užsienyje?

Doktorantūros studijas FTMC rinkausi dėl to, kad čia buvo paskelbta mane dominanti mokslinė tema. Taip pat mano pasirinkimui daug įtakos turėjo ir paties centro suteikiamos galimybės mokslo plėtrai. Dar studijuojant magistrantūroje FTMC direktorius prof. habil. dr. Gintaras Valušis, tuo metu mums dėstęs, daug pasakojo apie mokslo galimybes Fizinių ir technologijos mokslų centre, aplankėme daug čia dirbančių mokslo laboratorijų. Galbūt tai, kad turėjau galimybę pati pamatyti, suprasti kiek daug galimybių moksle suteikia šis centras, ir paskatino ateiti studijuoti būtent čia. Su užsieniu sunku lyginti, neteko ten studijuoti, bet pažįstami kolegos, kurie yra studijavę ir Lietuvoje, ir užsienyje (Švedijoje, Prancūzijoje, Vokietijoje), yra ne kartą sakę, kad Lietuva nuo kitų valstybių tikrai neatsilieka. Dabar esu trečiame doktorantūros kurse, tyrinėju Tamm’o plazmonų-poliaritonų optinių būsenų žadinimo procesus, naudojant fotoninius kristalus, mano darbo vadovas prof. dr. Z. Balevičius.

FTMC doktorantams yra sukurtos tikrai geros sąlygos studijuoti, užsiimti moksline tiriamąja veikla, įkvepianti aplinka ir galimybės kurti bei dirbti jaunam žmogui. Gera studijuoti, nes čia yra pakankamai platus mokslo krypčių pasirinkimas. Dar vienas, mano nuomone, labai svarbus bruožas – centro tarpdiscipliniškumas (fizika, chemija, biologija, elektronika, tekstilė ir pan.), koncentruotos, šiuolaikiškos laboratorijos, naujausia, kokybiška įranga. Čia mokslininkas turi visas galimybes vienoje vietoje atlikti visus reikalingus matavimus. Džiugu, kad šiame centre plėtojamas ne tik mokslas bet ir technologijos: gaminami įvairūs jutikliai, auginamos inovatyvios medžiagos. Man – FTMC tikrai puiki vieta atrasti savo mokslo sritį bei patenkinti savo smalsumą.