Česky
LUDĚK SVOBODA
Ačkoli vědci jeho existenci teoreticky nezpochybňovali, dosud jsme se s ním setkávali spíše ve vědecko-fantastických dílech, jako jsou série Star Trek či Hvězdné války. Řeč je o principu tažného paprsku (tractor beam), který dokáže rozhýbat objekty do různých směrů – vzpomeňme například jak vesmírná loď Enterprise paprskem světla doslova nasávala do svých útrob objekty a osoby. Existenci tažného paprsku experimentálně potvrdil badatelský tým z Ústavu přístrojové techniky AV ČR, který vede prof. Pavel Zemánek. Studii o pozoruhodných výsledcích brněnských vědců nedávno uveřejnil renomovaný časopis Nature Photonics.
Foto: Archiv ÚPT AV ČR
Řešitelský tým Pavla Zemánka (uprostřed), který potvrdil existenci tažného paprsku, zleva Lukáš Chvátal, Martin Šiler, Oto Brzobohatý a Vítězslav Karásek.
Zatímco princip, kdy světlo před sebou tlačí objekty, byl pozorován již na přelomu šestnáctého a sedmnáctého století (jeho praktickou aplikaci představují sluneční plachetnice, které mají v blízké budoucnosti brázdit mezihvězdný prostor), vědci z ÚPT prokázali princip opačný. „Laserový svazek, který má neměnnou intenzitu v ose šíření, dokáže pohybovat částicemi i proti směru šíření světla – doslova tyto částice přitahuje ke zdroji světla,“ vysvětluje v rozhovoru Pavel Zemánek.
Ústav přístrojové techniky se vedle soustavného základního výzkumu zaměřuje i na praktické realizace a průmyslové aplikace. Šlo v případě tažného paprsku o záměr, nebo jste se k tomuto experimentu dostali „oklikou“ přes jiné pokusy?
Ryze základní výzkum jsme v ústavu vždy kombinovali s jeho aplikacemi, a to například v elektronových mikroskopech, laserových systémech nebo spektrometrech magnetické rezonance. Rovněž naše skupina optických mikromanipulačních technik, jež převážně získává základní poznatky o silové interakci světla s mikro- a nanoobjekty, spojuje teoretické a experimentální postupy s jejich pozdějšími aplikacemi i pro průmyslové využití.
Příběh tažného paprsku začal v roce 2005 na lovaňské schůzce kolegů sdružených v projektu ATOM3D (Advanced Techniques for Optical Manipulation using novel three-dimensional light fields). Poslední odpoledne jsme s mým tehdejším doktorandem Tomášem Čižmárem (nyní působí na Univerzitě v Dundee) čekali na noční autobus a probírali, co pozoruhodného bychom mohli po návratu podniknout. Na noteboocích jsme přitom simulovali různé konfigurace tzv. besselovských svazků a sledovali chování různě velkých částic. Všimli jsme si, že i v jediném besselovském svazku, který má velmi úzké jádro, dochází k tažení částic směrem ke zdroji záření (tj. opačným směrem, než se předpokládá při pohonu slunečních plachetnic). Tato konfigurace bohužel nedávala příliš šancí na praktickou realizaci, protože tažný efekt fungoval jen ve velmi omezené oblasti a navíc jsme nevěděli, jak takový svazek elegantně experimentálně realizovat. Nechali jsme tak tento poznatek žít na pozadí našich myšlenkových pochodů a věnovali se jiné konfiguraci, jež rovněž využívala besselovských svazků – v tomto případě dvou souběžných a interferujících o různé šířce jádra. Vznikla tak interferenční struktura, do níž se zachytily mikročástice a změnou fáze jednoho svazku v ní bylo možné s nimi pohybovat po i proti směru šíření svazků. V případě pohybu částice proti svazkům jsme si však museli mírně vypomoci pohybem kapaliny, který vykompenzoval přetrvávající zbytek radiačního tlaku svazků. Šlo o jakousi jednostrannou konfiguraci našeho tzv. „optického dopravníku“ s protiběžnými svazky, jenž na jaře roku 2005 zaujal kolegy po celém světě. Tehdy jsme ovšem neovládali „vědecký marketing“ a netušili, že pro „jednostranný“ dopravník je třeba vymyslet „lepivý“ název, aby se výsledek ujal; PR pro nás tehdy znamenalo neznámou zkratku. Na podzim roku 2012 stejný princip, elegantněji realizovaný, pojmenoval prof. David Grier jako aktivní tažný paprsek, což vyvolalo mediální zájem.
Jak se bádání v tomto směru vyvíjelo dále?
Zájem médií a veřejnosti o světelný „tažný paprsek“ začal již v roce 2011 a stupňoval se poté, co kolegové z Hongkongu publikovali (rovněž v Nature Photonics) teoretickou práci, v níž elegantním analytickým trikem dokázali odvodit vztahy pro síly působící na mikročástice. Postup aplikovali na jediný besselovský svazek a dospěli ke stejným závěrům jako my v roce 2005 (pro jejich nepraktičnost jsme je ani nepublikovali). V mezidobí jsme však nezaháleli a začátkem roku 2007 vymysleli jinou elegantnější konfiguraci a spočítali kombinace experimentálních parametrů, při nichž bychom měli získat tažnou a tlačnou optickou sílu. Konfigurací jsme zamýšleli testovat optické třídění, tj. separaci složek heterogenní suspenze pouhým ozářením laserem; sestava proto dostala pracovní název „jednosvazková třídička“. Realizaci pozdržel odchod Tomáše Čižmára na postdoktorandský pobyt na Univerzitě v St. Andrews; já byl zavalen organizací rozrůstající se skupiny a časově stále náročnější administrací řešených projektů.
T. Čižmára zdatně nahradil jeho spolužák Oto Brzobohatý, který v našich laboratořích v roce 2008 připravil první verzi experimentální sestavy, na níž pozoroval především opticky vázanou hmotu a její chování v tažném paprsku. O rok později pobýval na stáži v laboratořích prof. Kishana Dholakii v St. Andrews a společně s Tomášem realizovali vylepšené experimentální zařízení, jež umožňovalo měření sil působících mezi studovanými objekty tvořícími vázanou hmotu. Tehdy jsme se výzkumům v oblasti opticky vázané hmoty intenzivně věnovali a tyto experimenty představují vůbec první kvantitativní měření vzájemného silového působení mezi mikročásticemi, které na sebe působí pouze rozptýlenými fotony (tzv. optická vazba). Kolegové Vítězslav Karásek, Martin Šiler a později i Lukáš Chvátal zdokonalili výpočetní algoritmy, jež jim umožnily srovnat teoretické předpovědi s experimentálními daty s uspokojivou shodou. Oto po návratu pokračoval v započatých pokusech a realizoval obdobnou sestavu v Brně, na které získal první experimentální výsledky potvrzující existenci tažné síly na vzdálenostech desítek mikrometrů.
Foto: OAT SSČ AV ČR
„Úspěch závisel i na přitažlivém názvu našeho objevu,“ podotýká Pavel Zemánek
Setkali jste se kromě teoreticky předpovězených výsledků rovněž s nepředpokládanými jevy?
Například částice měly tendenci se shlukovat do útvarů (většinou řetízků), jež držela pohromadě optická vazba. Taková struktura se však pohybovala proti směru šíření fotonů s výrazně větší rychlostí než samostatné částice. Následovaly další experimenty a výpočty, které umožnily lépe pochopit experimentální procesy a limity našich teoretických modelů. Došlo i na demonstraci původní jednosvazkové třídičky, která fungovala nečekaně účinně. Experimentálně jsme zjistili, že polarizace dopadajících svazků silně ovlivňuje nejen pohyb částice v „tažném“ a „tlačném“ směru, nýbrž i do stran. Navazující teoretické simulace s dobrou shodou potvrdily původ této síly. Později přišlo několikaměsíční, relativně nezáživné sepisování a přepisování článku do Nature Photonics, vymýšlení a malování obrázků a jejich kompozic, aby sdělení čtenářům (a rovněž editorům a recenzentům) bylo co nejpřímější a nejúdernější. Z těchto těžkých dob pocházel i obveselující nápad, abychom v jednom obrázku použili místo kulové mikročástice „mikrosputnik“, a tím evokovali vesmírný rozměr „tažného“ paprsku známého ze sci-fi literatury.
Experimentální systém
Objasněte fenomén tažného paprsku podrobněji. Jaký je jeho princip?
Úsměvné je, že termín „tažný (nebo vlečný) paprsek“ (tractor beam) fyzika nedefinuje a používá se spíše intuitivně, aby vyvolal asociace se sci-fi seriály a přilákal pozornost médií a veřejnosti k často vzdálenějším vědeckým aktivitám. Wikipedie uvádí, že jde o zařízení, jež je schopné přitáhnout jeden vzdálený objekt k druhému. Jelikož se dlouhodobě zabýváme silovým působením světla na mikročástice a nanočástice, „paprskem“ jsme okamžitě rozuměli světelný laserový svazek, nikoli chimérický gravitonový. Striktně vzato, kdykoli je objekt ozářen laserovým svazkem a pohybuje se ke zdroji záření, lze hovořit o světelném „tažném paprsku“. I v případě dnes již klasického nástroje (optické pinzety) tedy existuje oblast několika mikrometrů za ohniskem ostře fokusovaného svazku, kde jsou částice taženy proti proudu fotonů směrem k ohnisku tzv. gradientní silou. Obdobný princip strmého gradientu optické intenzity využívají i výše zmíněné optické dopravníky s protiběžnými i souběžnými interferujícími svazky.
Abychom se vymezili vůči takové skupině „tažných paprsků“, snažili jsme se v článku definovat „tažný paprsek“ jako uspořádání laserových svazků, v němž je optická intenzita neměnná podél trajektorie tažené částice. Do této kategorie spadá uspořádání s jedním besselovským svazkem nultého řádu – zatím zůstává jen u teoretického návrhu, ale existuje i starší návrh akustické varianty, experimentálně prokázaná varianta s nedifrakčním svazkem vyššího řádu (tzv. optický vír či solenoidální svazek) a naše mnohem jednodušší uspořádání. Použili jsme kolimovaný svazek, který měl průměr do 100 μm, tedy asi jako lidský vlas, procházel přes horní propustné rozhraní a dopadal mírně skloněný na spodní rozhraní pokryté systémem odrazných dielektrických vrstev. Odražený svazek interferoval s dopadajícím a vznikl systém interferenčních proužků rovnoběžných s odrazným rozhraním (obr. 1 a 2). Mezi rozhraními byla voda s průhlednými mikročásticemi (pro lepší názornost jsou na obrázku vyznačeny červeně), které zůstaly zachyceny v interferenčním proužku a mohly se pohybovat v rovině rovnoběžné se spodním rozhraním. Změna úhlu dopadu měnila i chování částic, jež byly nejdříve tlačeny na obrázku doprava, a jak se úhel dopadajícího svazku přibližoval kolmici na zrcadlo, začaly být taženy i doleva. Rovněž se ukázalo, že jsou-li částice taženy nebo tlačeny, závisí na jejich velikosti a na polarizaci dopadajícího svazku.
Geometrie „tažného paprsku“
Obr. 1 a 2 – Původ tažné síly. Dva široké gaussovské svazky (odpovídají dopadajícímu a odraženému svazku na obr. 1) šířící se ve směru vlnových vektorů k1 a k2 jsou rozptylovány objektem do směrů vyznačených tmavšími oblastmi napravo. V důsledku zákona zachování hybnosti systému fotonů a objektu je objekt tažen doleva.
Dělali jste pokus na vlastních zařízeních?
Experimentální zařízení si stavíme sami z modulárních optomechanických komponent, tudíž i pro tento pokus jsme si postavili vlastní. Klíčové bylo, abychom měli dostatečně široký svazek pod objektivem mikroskopu a bylo možné jemně nastavovat úhel jeho dopadu na spodní odrazné rozhraní. Dále jsme potřebovali několik čoček, které zobrazovaly mikročástice a jejich chování na CCD. Abychom dosáhli pozorovatelných silových účinků světla na relativně velké ploše dané průměrem svazku, museli jsme použít laser o výkonu 4 W, což byl podstatný rozdíl oproti optické pinzetě, v níž je svazek fokusovaný do stopy srovnatelné s vlnovou délkou použitého laseru, a tak k zachycení mikroobjektu postačuje laser o výkonu pár desítek mW.
Jak velké objekty jste použili?
Používali jsme polystyrénové mikročástice o průměrech od 600 nm do 2 μm, které téměř neabsorbují energii dopadajícího svazku. Větší částice měly nevýhodu, že propadávaly optickým sítem interferenčních proužků – i tak jsme však pozorovali očekávané chování.
Obrázek 3 ukazuje pohled shora na roztříděné částice o průměrech 1,6 μm a 2 μm, jichž jsme dosáhli tím, že jsme otočili polarizaci dopadajícího svazku o 90 stupňů. Červená šipka označuje směr vlnového vektoru – tedy směr, jímž by měly být objekty tlačeny od svislé bílé čáry, která naznačuje střed laserového svazku.
Mohli by tedy vědci vytvářet útvary složené z určitých částic a dopravovat je na konkrétní místo?
Kromě třídění částic jsme pozorovali další pozoruhodný jev, totiž že částice měly tendenci uspořádávat se do uskupení, která držela tvar jen prostřednictvím optické vazby. Tyto interakční síly jsou velmi slabé, přibližně 0,1 pN, ale v mikrosvětě postačují, aby výrazně ovlivnily chování objektů. Jakmile takový opticky vázaný útvar vznikl, byl svazkem tažen doleva viditelně silněji než jednotlivé objekty, z nichž se skládal (obr. 4). Zapříčiňuje to opět rozptyl fotonů útvarem do směru výsledného vlnového vektoru (tedy doprava). Jakmile útvar dosáhl levého okraje svazku s již podstatně nižší intenzitou, rozpadl se, protože energie stochastického Brownova pohybu byla větší než optická vazebná energie. Proces optické vazby studujeme teoreticky i experimentálně. Většina aktivit se však stále odehrává na úrovni neabsorbujících stejně velkých mikrokuliček. Věříme, že přechod k nekulovým a případně i kovovým strukturám povede k mnohem komplexnějšímu chování, kdy tvarem částic a prostorovým rozložením svazku můžeme dosáhnout samo-uspořádávání částic do útvarů o předem zvoleném tvaru. Takové útvary se budou pohybovat, případně rotovat určitým směrem a mohou dopravit částice, z nichž se skládají, na vhodná místa ve svazku. Vznikli by tak světlem vystavění a ovládaní „mikroroboti“.
Obr. 4 – Ukázka samovolného roztřídění suspenze polystyrénových částic o průměrech 1,6 a 2 μm; menší jsou tlačeny doprava, větší doleva.
Obr. 5 – Příklad opticky samouspořádaného útvaru, který je tažen doleva, zatímco volné částice setrvávají v pravé části svazku (střed svazku je v z = 0).
Vyzdvihujete, že se ÚPT zaměřuje na praktické využití získaných poznatků. Má i výzkum využívající tažného paprsku „aplikační“ perspektivu?
Věříme, že jednoduchost experimentální sestavy přitáhne pozornost a mnozí kolegové zopakují a rozšíří naše poznatky o chování jak neživých objektů, tak i živých buněk či mikroorganismů. Geometrii, kterou jsme zvolili, lze relativně snadno implementovat do běžných světelných mikroskopů, kde by mohla vést např. k plošné separaci buněk. Pracujeme i na variantě, kdy částice nebudou v kapalině, ale ve vzduchu – zde se otevírají aplikace od studia aerosolů, jejich separace dle velikosti po možnost chladit mikročástice či z nich vytvářet vhodné „mikroroboty“.