„Přijde mi přirozené zkoušet věci, které předtím ještě nikdo nezkusil. O tom je vlastně celá věda, člověk by měl hledat otázky, které jsou otevřené, a ty se snažit vyřešit,“ tvrdí fyzik Martin Kozák, který se svým týmem na Matfyzu posouvá hranice elektronové mikroskopie. V roce 2022 získal grant od Evropské výzkumné rady na projekt eWaveShaper, v rámci kterého vyvíjí techniky pro tvarování elektronových vln a snímání ultrarychlých pohybů elektronů v pevných látkách.
Procesy v mikrosvětě se odehrávají tak rychle, že je zatím nedokáže uspokojivě zachytit ani ta nejlepší technika. To by se ale brzy mohlo změnit díky výzkumu Martina Kozáka. Ve své laboratoři vyvíjí nové metody, jak zkoumat materiály pomocí vzájemné interakce elektronů a světla. Využívá k tomu speciálně upravený elektronový mikroskop a femtosekundové lasery. „Představte si sekundu rozdělenou na miliardu částí, každou z těchto částí rozdělte ještě na milion a získáte femtosekundu, tj. 10−15 s. Pomocí takto krátkých světelných záblesků je možné zkoumat nejrychlejší procesy, které se odehrávají v pevných látkách či během chemických reakcí,“ vysvětluje fyzik z Matematicko-fyzikální fakulty UK.
Milionkrát rychlejší elektronika
Zatímco tradiční optický mikroskop používá světlo a skleněné čočky, ten elektronový využívá svazek elektronů a elektromagnetické čočky, díky čemuž může dosáhnout mnohem vyššího rozlišení. Ty nejlepší současné elektronové mikroskopy dokážou ve vzorku identifikovat jednotlivé atomy, nebo dokonce změřit frekvenci vibrací vybraného atomu. Vědcům tak poskytují velké množství informací o různých materiálech.
„Současný materiálový výzkum se bez elektronových mikroskopů neobejde. Nás však zajímá ještě něco trochu jiného. Pokud bychom chtěli uvažovat o tom, že elektronika bude někdy fungovat na mnohem rychlejších frekvencích, tak je důležité vědět, jakým způsobem materiál reaguje na velmi krátké vnější impulsy a jakým způsobem se chovají základní částice uvnitř, tzn. elektrony a atomy,“ nastiňuje výchozí motivace svého výzkumu. „Když si představíte koherentní světelnou vlnu, tak je to vlastně oscilující elektromagnetické pole a tyto oscilace probíhají extrémně rychle. Současná elektronika je založená na křemíkových mikročipech a dalších součástkách, kde jsou frekvence oscilací, které pohánějí elektrický proud, omezeny na oblast jednotek gigahertz (1 kmit za nanosekundu). Rychlost elektroniky je těmito frekvencemi omezená a není možné ji dále zvyšovat, aniž by docházelo k tepelným ztrátám,“ vysvětluje.
Metou výzkumu Martina Kozáka je vytvořit koncepty nové elektroniky, která by mohla být až milionkrát rychlejší, než je ta současná. „Abychom toho však někdy byli schopni dosáhnout, musíme nejprve porozumět jevům, které se na femtosekundových a rychlejších časových škálách odehrávají, a naučit se je nějakým způsobem kontrolovat. Podobně jako dnes v počítačích můžeme kontrolovat otevírání a zavírání tranzistorů během nanosekund, chtěli bychom v budoucnu spínat elektronické procesy v materiálech na časových škálách femtosekund.“
Světlo jako nástroj pro ovládání elektronů
Výzkumníci ve skupině Martina Kozáka využívají k ovládání elektronového svazku v mikroskopu tvarované světelné vlny ve formě velice krátkých záblesků (pulzů). Elektronový mikroskop je upraven do podoby, kdy je možné pomocí světelných pulzů spínat emisi elektronů ve zdroji. Femtosekundové elektronové pulzy poté slouží k zachycení obrazu vzorku v určitém okamžiku po jeho excitaci světlem.
„Je to v podstatě stejný princip, jaký využíváte při fotografování nějakého rychlého děje pomocí blesku, abyste získali ostrý snímek. Je-li závěrka vaší kamery příliš pomalá na zachycení ostrého obrazu rychle se měnící scény, stačí zobrazovaný objekt osvětlit zábleskem světla, který je mnohem kratší než děj samotný. Pokud v krátkém sledu za sebou pořídíte několik snímků s bleskem, získáte záznam děje, jak se odehrával v čase. Na stejném principu funguje i ultrarychlá elektronová mikroskopie, kdy elektronový puls v určitém okamžiku pořídí fotografii vzorku ve stavu, který odpovídá časové prodlevě mezi excitací vzorku a dopadem elektronů. Pak se změní časové zpoždění a sejme se další snímek a takto postupně vytvoříme celou sekvenci, která nám pak řekne, co se ve vzorku odehrává v čase,“ popisuje Martin Kozák princip ultrarychlé elektronové mikroskopie.
Čtyřicetiletý fyzik se k ní dostal v průběhu tříleté postdoktorské stáže, kterou absolvoval na univerzitě v německém Erlangenu. „Pobyt v Německu byl pro mě naprosto zásadní. Když člověk studuje, má do značné míry omezené obzory. Já jsem celé své studium absolvoval na Matfyzu, což mi dalo velice dobrý základ v oblasti ultrarychlé optiky, s časově-rozlišenou elektronovou mikroskopií jsem ale žádné zkušenosti neměl. S tímto oborem jsem se seznámil až během postdoktorské stáže.“
Vedle nových znalostí mu stáž přinesla i zkušenost s vedením větší skupiny lidí a v neposlední řadě se v Německu naučil, jak psát žádosti o granty. Jeho tehdejší vedoucí, prof. Peter Hommelhoff, je řešitelem dvou ERC grantů. „Měl jsem možnost vidět, jak vypadají úspěšné žádosti. Myslím si, že bez této zkušenosti bych sám později nemohl uspět. ERC granty vyžadují poměrně specifický styl psaní, kdy je potřeba dostatečně zdůraznit nové aspekty vašeho výzkumu a jeho nezbytnost. Protože v hodnoticím panelu jsou vědci z různých oborů, musí být žádost srozumitelná i pro ně,“ nastiňuje Kozák požadavky svébytné disciplíny „psaní grantů“, se kterou mu později pomohly také workshopy pořádané Technologickým centrem Akademie věd ČR.
Lego v laboratoři
Teď už sedm let rozvíjí svůj výzkum opět v Česku na Katedře chemické fyziky a optiky MFF UK. Rozjezd samostatné vědecké dráhy mu v roce 2022 usnadnil prestižní „startovací“ grant Evropské výzkumné rady (ERC Starting Grant). „Pro mě byl tento grant v podstatě otázkou toho, zda vůbec budu moct v Praze dělat časově rozlišenou mikroskopii, která je velmi finančně nákladná.“ Díky více než 45milionové finanční podpoře od evropských fondů mohl na Matfyzu založit novou laboratoř a vybavit ji potřebnou technikou – elektronovým mikroskopem, laserem a optickými komponenty.
Elektronový mikroskop, který vyrobila česká firma, přitom v jeho laboratoři prošel zásadní proměnou. „Celý mikroskop jsme museli upravit, abychom do něj dostali optiku a optomechaniku, kterou potřebujeme na úpravu laserových svazků mířících do vakuové komory mikroskopu,“ přibližuje rok trvající práci na aparatuře, kterou s nadsázkou připodobňuje ke své oblíbené hračce z dětství. „Mikroskop neustále vylepšujeme, opravujeme, měníme konfiguraci součástek atd. V dětství bývalo mojí nejoblíbenější hračkou lego, dalo by se říct, že teď máme v laboratoři taky takovou stavebnici, jenže o dost větší a dražší,“ směje se vedoucí skupiny, která už má na svém kontě několik publikací v prestižních vědeckých časopisech.
Martina Kozáka zaujala optika ve druhém ročníku studia fyziky, když si vybíral téma své bakalářské práce. Tehdy však ještě netušil, že se vědou bude živit. „Jako student jsem počítal spíš s tím, že půjdu do soukromého sektoru a budu dělat třeba programátora. Zlomilo se to až během doktorátu,“ přiznává. Přestože podle něj existuje řada oblastí, které by se v české vědě daly zlepšit, jako například způsob rozdělování peněz, svého rozhodnutí být vědcem nelituje. „Věda mi dává velkou svobodu a umožňuje mi řešit zajímavé otázky. Každý den děláme něco jiného, takže vůbec nejde o nějakou jednotvárnou práci. Je to především svoboda a neustálé tvoření, co mě nejvíc baví,“ říká talentovaný fyzik.
Když se vracel zpátky do Česka, jeho snem bylo mít vlastní laboratoř, což se mu před třemi lety splnilo. „Teď je mým nejbližším cílem, aby se nám v mikroskopu podařilo dosáhnout attosekundového rozlišení, což bychom, doufám, mohli zvládnout do konce ERC projektu,“ nastiňuje. A největší sen? „Aby se naše metody daly aplikovat i v jiných mikroskopech, tedy aby vzniklo něco, co se dá vzít, nainstalovat a běžně používat v kterékoli laboratoři. K tomu však povede ještě dlouhá cesta,“ dodává Martin Kozák.
doc. RNDr. Martin Kozák,
Ph.D.
Vystudoval optiku a optoelektroniku na MFF UK, v roce 2013 obhájil na Matfyzu
doktorát. Během postdoktorské stáže strávil tři roky na
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Od roku 2018 působí na
Katedře chemické fyziky a optiky MFF UK. Věnuje se studiu interakce mezi
elektrony a světelnými vlnami, které mohou být využity v elektronové
mikroskopii. V Německu byl členem skupiny, které se jako první na světě
podařilo manipulovat s elektrony pomocí světelných vln bez nutnosti
používat nanostruktury. V roce 2022 získal ERC Starting Grant na projekt
Spatio-temporal shaping of electron wavepackets for time-domain electron
holography (eWaveShaper). V roce 2023 se stal laureátem Ceny Neuron pro
nadějné vědce.
Mohlo by vás také zajímat:
Jan
Valenta: Každý vědec by se měl zajímat o historii svého oboru
Seismolog
Plicka: Řecko je náš druhý domov
Osudová
přitažlivost dvojhvězd