OLAF SZEWCZYK: – Kierowany przez panów ośrodek CENTERA – Center for Terahertz Research and Applications – to jedna z 14 działających w Polsce placówek badawczych utworzonych przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej w ramach programu Międzynarodowe Agendy Badawcze. Ośrodek pracuje nad technologiami wykorzystującymi promieniowanie terahercowe, czyli te o bardzo dużej częstotliwości. Co jest takiego szczególnego w tym promieniowaniu, że przykuło uwagę badaczy?
PROF. WOJCIECH KNAP: – Szczególną cechą promieniowania terahercowego jest to, że ma własności mikrofali, czyli prześwietla wiele materiałów, a jednocześnie rozchodzi się jak światło po liniach prostych. Oznacza to, że możemy prześwietlać przedmioty nieprzezroczyste dla promieniowania widzialnego, a nawet podczerwonego, takie jak plastik, drewno czy papier, by na przykład zbadać tego papieru czy drewna wilgotność lub niewidoczne gołym okiem wady. Kolejną ważną cechą jest możliwość przesyłania informacji – promieniowanie terahercowe to przecież fale radiowe – i to o bardzo dużych częstościach, a ilość informacji przesyłanej na fali rośnie wraz z częstością tej fali.
Jednym z deklarowanych celów CENTERY jest poszukiwanie nowych zjawisk z dziedziny fizyki, elektroniki i biomedycyny występujących w zakresie promieniowania THz. To sugeruje olbrzymi potencjał możliwych zastosowań, a przecież do niedawna promieniowanie terahercowe obchodziło głównie astrofizyków – w tym zakresie widma działa wiele radioteleskopów. Dlaczego zatem, mimo tak obiecujących perspektyw, promieniowanie terahercowe dopiero od niedawna jest istotnym przedmiotem badań naukowych, a zespół CENTERY należy zaliczyć do pionierów?
PROF. THOMAS SKOTNICKI: – Urządzenia terahercowe, które buduje się z myślą o zastosowaniach w astrofizyce, są bardzo kosztowne. Radioteleskopy terahercowe i akceleratory to inwestycje warte setki milionów, a nawet miliardy dolarów. Użyte w tych konstrukcjach technologie terahercowe mają zatem charakter elitarny. W CENTERZE z kolei budujemy emitery i detektory terahercowe – tranzystory – bardzo zminiaturyzowane i niezwykle tanie w porównaniu ze wspomnianymi rozwiązaniami. Na razie wytwarzamy nasze tranzystory na Tajwanie, ale marzy nam się produkcja własna. Z inicjatywy dyr. Mariusza Wielca stworzyliśmy mieszany zespół młodych naukowców technologów, którzy pod kierownictwem prof. Romualda Becka i moim własnym przygotowują w Laboratorium CEZAMAT Politechniki Warszawskiej rodzime technologie wytwarzania tranzystorów.
Do tej pory generowano teraherce metodami optycznymi, bardzo drogimi. Nasz wkład polega na tym, że potrafimy budować detektory i emitery oparte na tranzystorach krzemowych. I jest to wkład niebagatelny, bo wytwarzamy je na liniach produkcyjnych układów krzemowych CMOS działających w zakresie częstotliwości kilku gigaherców, podczas gdy nasze urządzenia osiągają częstotliwości 300 GHz, 600 GHz, a nawet 1 THz. I są przy tym bardzo małe i bardzo tanie. Nadają się zatem dla szerokiego odbiorcy.
WK: Warto wspomnieć o jeszcze jednej przewadze urządzeń CENTERY nad technologiami terahercowymi wykorzystywanymi w astrofizyce. Tamte rozwiązania wymagają nie tylko olbrzymich nakładów, ale i niskich temperatur. Nasze urządzenia pracują w temperaturze pokojowej. To kolejny atut, dzięki któremu mogą znaleźć wiele zastosowań. Mamy nadzieję, że także w gospodarstwach domowych.
Czy promieniowanie terahercowe może znaleźć zastosowanie w medycynie?
WK: Promieniowanie terahercowe może pomóc w szybkim wykrywaniu wirusów, np. SARS-CoV-2. Aby stworzyć taki czujnik, wymagana jest specjalistyczna wiedza zarówno z biochemii i biofizyki, jak dane wirusy mogą przyczepiać się do danych materiałów, jak i wiedza z fizyki terahercowej, jak zrobić materiały półprzewodnikowe i jaką strukturę im nadać, by przyczepiony do nich wirus był łatwo wykrywalny. Kluczowym atutem jest tu dla nas interdyscyplinarność laboratorium CEZAMAT, w którym pracujemy – zespoły biochemików prof. Elżbiety Malinowskiej i prof. Zbigniewa Brzózki specjalizują się w czujnikach biomedycznych i posiadają właśnie te kompetencje, których nam, fizykom ciała stałego, brakuje. Mamy nadzieję, że kiedyś we wszystkich portach lotniczych znajdą się urządzenia, które pozwolą wykryć wirusa w oddechu pasażera. Pracujemy nad tym projektem w grupie terahercowej z prof. Skotnickim.
Fale submilimetrowe – czyli zakres promieniowania terahercowego – są zaliczane do fal radiowych. Czy to znaczy, że można je będzie wykorzystać w telekomunikacji?
TS: Obserwujemy w telekomunikacji stałą tendencję do przesuwania się w coraz wyższe częstotliwości. Jednym z powodów jest możliwość przekazywania dzięki temu większej ilości informacji. Pracuje się już nad technologiami łączności 5G, 6G, 7G, które wchodzą w zakres teraherców. Kolejnym powodem jest potrzeba zwiększenia liczby dostępnych adresów, bo zaczyna ich brakować. Każdy ma dziś smartfon.
To nie wszystko. Dziś komunikacja polega na rozsiewaniu informacji wszędzie dookoła (tzw. broadcasting). Jest kodowana, ale słyszą ją wszyscy. Także ci, którzy potrafią ją odczytać, mimo że nie są do tego uprawnieni. Myśli się zatem o kierunkowym wysyłaniu informacji, precyzyjnie do odbiorcy, do którego ma trafić.
WK: Największe kompanie telekomunikacyjne szukają rozwiązań, aby przesyłać informacje w paśmie dużych gigaherców, a nawet teraherca. W przyszłości to będzie podstawowe zastosowanie: komunikacja do kilkunastu metrów, ale z możliwością błyskawicznego ładowania dużych ilości danych. By Japończyk, wsiadając do metra, mógł załadować film w kilka sekund.
Na stronie CENTERY widnieje ogłoszenie o poszukiwaniu partnerów do współpracy, m.in. w dziedzinach rolnictwa i przemysłu spożywczego. Jakie zastosowania może znaleźć promieniowanie terahercowe na tych obszarach?
TS: Dziś na plantacjach o podlewaniu często decydują czujniki badające wilgotność ziemi. Bywa jednak tak, że ziemia jest sucha, a roślina wilgotna i podlewa się niepotrzebnie. Możemy terahercowo badać wilgotność liścia i podlewać wtedy, gdy roślina tego potrzebuje.
WK: W wielu krajach głód jest spowodowany brakiem wody. Dlatego oszczędne i precyzyjne korzystanie z wody ma tak fundamentalne znaczenie.
Jedno z laboratoriów CENTERY zajmuje się m.in. badaniami nad materiałami podobnymi do grafenu. Polskie badania nad grafenem budziły kiedyś wielkie emocje i wielkie nadzieje. Czym mogą zaowocować prace CENTERY na tym polu?
WK: Od 50 lat ludzie szukają sposobu, by przekazać energię prądu do światła terahercowego. Próbowano rozmaitych półprzewodników, i to się nie udawało. W zeszłym roku w słynnym czasopiśmie „Physical Review X” ukazała się praca naukowców CENTERY napisana wspólnie z japońskimi współpracownikami, która wykazała, że specjalne struktury na grafenie mogą wzmacniać promieniowanie terahercowe. To ustalenie jest przełomowe, dowodzi bowiem, że grafen ma specyficzne własności i może to, czego inne półprzewodniki nie mogą. To otwiera drogę do wielkich anten komunikacyjnych pokrytych grafenem, by prąd przepływający przez grafen mógł wzmacniać promieniowanie terahercowe w łączności telekomunikacyjnej.
My nie jesteśmy specjalistami od grafenu, ale ta wiedza w Polsce jest – w pracowni prof. Mariusza Zdrojka, u którego pracuje prof. Włodzimierz Strupiński. Razem opracowaliśmy projekt wspólnego centrum badawczego CENTERY i Politechniki Warszawskiej, by dzięki połączeniu sił można było zrealizować idee anten terahercowych i innych urządzeń do zastosowania w medycynie, farmacji czy kontroli jakości.
Szalenie ważne jest podkreślenie, jak bardzo istotna jest współpraca i wzajemna pomoc. Wiele dobrego może wydarzyć się dzięki zwykłej ludzkiej życzliwości, ale niezbędne są też rozwiązania systemowe umożliwiające owocną współpracę, wymagające decyzji na szczeblu rządowym. Jak w przypadku wspomnianego projektu, który chcemy złożyć w ministerstwie.
Po moim powrocie z Francji, dzięki wsparciu ze strony dyr. Izabelli Grzegory i prof. Sylwestra Porowskiego z Instytutu Wysokich Ciśnień PAN, stworzyłem przyczółek terahercowy, który rozwinął się w CENTERĘ. Teraz CENTERA ma ambicję stać się jeszcze większym centrum badawczym, łącząc PAN i Politechnikę Warszawską. Dzięki stworzeniu tego konsorcjum będziemy mieli szansę szybko opracowywać ważne rozwiązana i od razu wprowadzać je na rynek. Dlatego ten projekt ma kluczowe znaczenie.
Nad jakimi jeszcze technologiami wykorzystującymi fale submilimetrowe pracuje obecnie CENTERA?
TS: Promieniowanie terahercowe, tak jak rentgenowskie, przenika przez materiały dielektryczne, ale jest niejonizujące, a więc bezpieczne dla człowieka. Dzięki temu można oglądać zawartość obiektów niewidoczną gołym okiem, bez konieczności prześwietlania szkodliwymi promieniami X.
Tę właśnie własność promieniowania terahercowego chcemy wykorzystać w produktach, które wprowadzimy na rynek. Prototypy już pomagają w kontroli jakości na liniach produkcyjnych, sprawdzając, czy w produktach są te komponenty, które miały się w nich znaleźć.
WK: A jednocześnie sprawdzają, czy produkt jest bezpieczny dla użytkownika. Podam słodki przykład: czasami awaria na linii w fabryce czekolady może sprawić, że do tabliczki trafią metalowe części.
TS: Pracujemy też nad kontrolą defektów w częściach plastików i innych materiałów przezroczystych dla promieniowania terahercowego. Są uszkodzenia tak specyficzne, że nie widać ich ani w promieniowaniu rentgenowskim, ani w promieniowaniu widzialnym, a w terahercowym ten defekt wychodzi. Można w ten sposób wykryć na przykład wadliwość struktury skrzydła samolotu, co jest przecież informacją o fundamentalnym znaczeniu.
Które z opracowywanych przez CENTERĘ technologii trafią na rynek jako pierwsze?
WK: Być może czujnik sprawdzający, czy w kopercie jest tylko papier, czy może także coś niebezpiecznego? Znamy z historii przypadki wysyłania listownie wąglika czy narkotyków – proszku nie do wykrycia promieniami X, za to widocznego dla skanera terahercowego. Mamy działający prototyp i szukamy zainteresowanych produkcją. To przecież wymarzone urządzenie dla służb celnych i policji. Przyda się w urzędach pocztowych, sekretariatach, ministerstwach, ambasadach.
***
Prof. Wojciech Knap stopień doktora otrzymał na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. W 1987 r. wyjechał do Francji, gdzie pracował na uniwersytecie w Montpellier, w laboratorium wysokich pól magnetycznych w Grenoble i w laboratorium impulsowych pól magnetycznych w Tuluzie. Pracował też jako visiting scientist w USA oraz w Japonii. Jego zainteresowania koncentrują się na własnościach półprzewodników w tzw. dalekiej podczerwieni (promieniowanie terahercowe), a w szczególności na terahercowych wzbudzeniach plazmowych w nanostrukturach. Obecnie kieruje projektem CENTERA (promieniowanie THz) w IWC PAN.
***
Prof. Thomas Skotnicki po otrzymaniu stopnia doktora w 1985 r. wyjechał do Francji, gdzie pracował nad rozwojem technologii CMOS we France Telecom, a następnie w STMicroelectronics. Jest autorem technologii UTBB FDSOI, która służy w produkcji układów CMOS w STMicroelectronics, Globalfoundries i Samsungu, oraz została uznana przez Komisję Europejską za kluczową dla Europy. W 2018 r. wraz z prof. Wojciechem Knapem objął kierownictwo projektu CENTERA (promieniowanie THz), który realizują w IWC PAN. Równolegle prowadzi badania nad pozyskiwaniem energii z otoczenia w Instytucie IMiO oraz w laboratoriach CEZAMAT PW.
***
Realizowany przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej program Międzynarodowe Agendy Badawcze jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego ze środków pochodzących z Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój.