COVID-19: zajęcia zdalne od 11 grudnia do 9 stycznia
[fot. Andrzej Romański] fot. Andrzej Romański

Fizycy z UMK i Beethoven

2017-10-06

Projekty 2 naukowców z UMK: prodziekana Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej dr hab. Winicjusza Drozdowskiego, prof. UMK oraz dr Karoliny Słowik z Zakładu Mechaniki Kwantowej uzyskały finansowanie w ramach konkursu BEETHOVEN 2 Narodowego Centrum Nauki.

Konkurs BEETHOVEN jest organizowany przez Narodowe Centrum Nauki we współpracy z Niemiecką Wspólnotą Badawczą (DeutscheForschungsgemeinschaft; DFG).Rywalizują w nim polsko-niemieckie projekty badawcze z zakresu nauk humanistycznych, społecznych i o sztuce oraz wybranych dyscyplin nauk ścisłych i technicznych, realizowane przez zespoły polsko-niemieckie. Do drugiej edycji konkursu zostało zgłoszonych 155 wniosków, spośród których wyłoniono 38 laureatów (w tej grupie znalazły się 2 projekty kierowane przez naukowców z Instytutu Fizyki UMK). Łącznie przyznano 28 365 899 zł. Więcej szczegółów

Dr hab. Winicjusz Drozdowski, prof. UMK  otrzyma 682 252,00 zł na projekt pn. „Nowy scyntylator półprzewodnikowy beta-Ga2O3:Ce - badania własności spektroskopowych i scyntylacyjnych”.

Dr Karolina Słowik natomiast 388 721,00 zł na badania „Grafenowych Plazmonów Powierzchniowych dla Sterowalnej Kwantowej Elektrodynamiki”. 

O projekcie, którym pokieruje dr hab. Winicjusz Drozdowski, prof. UMK: Projekt „GO SCINT” opiera się na współpracy dwóch instytucji: Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK w Toruniu i Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) w Berlinie. Jego zasadniczym celem jest przygotowanie scyntylatora półprzewodnikowego β-Ga2O3 aktywowanego jonami ceru oraz - dzięki odpowiedniemu dobraniu koncentracji elektronów i zawartości ceru - osiągnięcie wydajności scyntylacji rzędu 10000 fotonów na 1 MeV zaabsorbowanej energii. Planowane jest też określenie mechanizmów generacji światła w β-Ga2O3:Ce, co powinno przyczynić się do ogólnej poprawy stanu wiedzy podstawowej na temat procesu scyntylacji w półprzewodnikach. W zespole badawczym docenionego przez NCN projektu znajduje się oprócz dr. hab. Winicjusz Drozdowski, prof. UMK (kierownika przedsięwzięcia), m.in. prof. dr hab. Andrzej Wojtowicz, kierownik Zakładu Optoelektroniki UMK. Mianem scyntylacji określa się powstawanie błysku świetlnego w danej próbce (zwanej „scyntylatorem”) przy jej wzbudzeniu promieniowaniem jonizującym. Z roku na rok obszar użyteczności scyntylatorów zatacza coraz szersze kręgi, co z kolei motywuje postęp badań i rozwój technologii hodowlanych. Od dziesiątek lat główny nacisk kładziono na izolatory, zarówno oparte na emisjach własnych, jak i aktywowane jonami ziem rzadkich, stąd mechanizmy scyntylacji w izolatorach są względnie dobrze poznane i opisane. Inaczej wygląda sytuacja w przypadku półprzewodników. Chociaż rozważano takie scyntylatory, to jak dotąd poświęcono im znacznie mniej uwagi, zaś możliwość aktywacji ziemiami rzadkimi pomijano całkowicie.

O projekcie, którym pokieruje dr K. Słowik: Grafen, pojedyncza warstwa grafitu, to dwuwymiarowa sieć o geometrii plastra miodu, złożona z atomów węgla. Pomimo prostoty, grafen cechują niespotykane właściwości: znakomita przewodność ciepła i prądu czy wysoka absorpcja światła. Jest to najsilniejszy i najsztywniejszy materiał jaki kiedykolwiek testowano.
Projekt GraSP ma na celu wykorzystanie ogromnego potencjału grafenu w zakresie sterowania oddziaływaniami światła materią, np. cząsteczkami chemicznymi. Poddany oświetleniu, grafen może skupiać światło w obszarach przestrzennych o rozmiarach porównywalnych z wielkością cząsteczek. Właściwości takiego światła można precyzyjnie przestrajać. Lokalizacja przestrzenna punktu skupienia czy barwa wzmacnianego światła, zależą od kształtu i rozmiaru kawałka grafenu. Co ważniejsze, można je modyfikować, np. za pomocą napięcia elektrycznego. To otwiera możliwości „dotykania” światłem pojedynczych cząsteczek usytuowanych w bliskim sąsiedztwie arkuszy, wstążek lub płatków grafenu. Zawezwane w ten sposób cząsteczki, mogą być przestrojone na tryb absorpcji lub emisji światła, a nawet manipulowane tak by nadać światłu specjalne właściwości. Ponadto grafen może być stosowany jako nośnik oddziaływań międzycząsteczkowych na dużych odległościach.
Cele projektu to stworzenie podstaw teoretyczno-numerycznych do zbadania oddziaływań nanostruktur grafenowych i sąsiadujących cząsteczek, a potem zastosowanie wypracowanych narzędzi do kompleksowej analizy potencjału grafenu do sterowania dynamiką i właściwościami tych układów. Dzięki takiej analizie dr Słowik z zespołem chcą stworzyć podwaliny dla rozmaitych zastosowań, w tym nowych rodzajów przestrajalnych w czasie i scalonych na miniaturowych czipach kwantowych bramek logicznych do przetwarzania sygnałów, źródeł światła o zadanych właściwościach: np. o dobrze określonej liczbie fotonów lub wreszcie urządzeń na żądanie aktywujących cząsteczki chemiczne.

Dr hab. Winicjusz Drozdowski, prof. UMK, ukończył fizykę na UMK w 1996 r. Stopień doktora uzyskał w 2001 r. a doktora habilitowanego w 2011 r. W latach 2006-2008 odbył staż naukowy na Politechnice w Delft (Holandia). Od 2015 r. kieruje Zespołem Spektroskopii Materiałów Scyntylacyjnych i Fosforów. W ubiegłym roku zakończył realizację projektu NCN Opus 3 (2013-2016). Za cykl prac prezentujących uzyskane wyniki odebrał niedawno zespołową Nagrodę Rektora UMK. Dorobek naukowy prof. W. Drozdowskiego stanowią 54 publikacje z listy filadelfijskiej oraz 43 w materiałach konferencyjnych, raportach rocznych itp. Najważniejsze artykuły dotyczą mechanizmu scyntylacji oraz optymalizacji własności scyntylacyjnych nowoczesnych materiałów o potencjalnych zastosowaniach w diagnostyce medycznej czy eksploracji przestrzeni kosmicznej. Stosowane przez prof. Drozdowskiego techniki eksperymentalne obejmują spektroskopię gamma (widma wysokości impulsu i profile czasowe scyntylacji), radio- i fotoluminescencję w funkcji temperatury oraz termoluminescencję. Uzupełnieniem są nowatorskie pomiary kombinowane przy podwójnym wzbudzeniu (promieniami Roentgena i podczerwienią).

Dr Karolina Słowik skończyła studia magisterskie na specjalności fizyka teoretyczna i komputerowa z tytułami najlepszego studenta  i najlepszego absolwenta Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK. W tym czasie podjęła współpracę z profesorami Andrzejem Raczyńskim i Jarosławem Zarembą z UMK, którą kontynuowała w ramach studiów doktoranckich. Badania, realizowane po części we współpracy z ośrodkami we Włoszech i w Polsce, dotyczyły teoretycznych aspektów rozchodzenia się impulsów świetlnych przez ubrane optycznie ośrodki atomowe, w szczególności zjawiska elektromagnetycznie wymuszonej przezroczystości i zatrzymania światła,  a także ich potencjalnego zastosowania w konstrukcji kwantowych bramek logicznych dla światła. Po wyróżnionej obronie doktoratu, dr Karolina Słowik poszerzała wachlarz zainteresowań naukowych jako postdoc w grupie profesorów Falka Lederera i Carstena Rockstuhla na Uniwersytecie w Jenie w Niemczech. Był to jeden z najważniejszych na świecie ośrodków specjalizujących się w teoretycznej plazmonice i nanofotonice. Współpraca grupy i KS umożliwiła badanie zagadnień na styku plazmoniki i optyki kwantowej, dotyczących oddziaływania światła o właściwościach modyfikowanych przez nanocząstki metaliczne  z układami kwantowymi typu cząsteczek czy kropek kwantowych. Dzięki stypendium w projekcie WZROST UMK, dr Słowik odbyła drugi staż podoktorski na Karlsruhe Institute of Technology (KIT) w Niemczech, dokąd w międzyczasie przeniosła swoją siedzibę grupa prof. Rockstuhla.  Tam nawiązała współpracę z grupą eksperymentalną prof. Wolframa Pernice´a, która pracowała m.in. nad wykorzystaniem wzbudzanych elektrycznie nanorurek węglowych jako źródeł światła. Nanorurki zostały następnie umieszczone w obwodzie zintegrowanym z mikroskopowymi nadprzewodzącymi detektorami, umożliwiającymi zliczanie emitowanych fotonów. Karolina Słowik znalazła, za pomocą dopasowań metodami numerycznymi, parametry określające właściwości statystyczne światła emitowanego przez nanorurki, z których można wnioskować o jego nieklasycznym, czyli kwantowym charakterze.  To sugeruje, że zintegrowany obwód kwantowy oparty o nanorurki, zbudowany po raz pierwszy na świecie, stanowi milowy krok na drodze ku miniaturyzacji urządzeń kwantowooptycznych, stosowanych w komunikacji, kryptografii i przetwarzaniu informacji kwantowej, zakodowanej w pojedynczych fotonach. Doniesienie o konstrukcji obwodu i analiza jego właściwości stanowiły treść artykułu w Nature Photonics. Obecnie dr Karolina Słowik pracuje na stanowisku adiunkta w Instytucie Fizyki UMK. Jest laureatką konkursu POLONEZ 1 Narodowego Centrum Nauki oraz konkursu HOMING Fundacji na rzecz Nauki Polskiej (FNP). Od października 2016 r. kieruje projektem badawczym HEIMaT, finansowanym przez FNP i dotyczącym badania wpływu nanostruktur plazmonicznych na przejścia kwantowe w molekułach.  Jest on realizowany  w IF UMK w ścisłej współpracy z kolegami z KIT.