Avtor: Nejc Parkelj / Predvideni čas branja: 7 minut
Odsek za fiziko trdne snovi (F5) na Institutu ‘Jožef Stefan’ premore številne zanimive in uspešne laboratorije. Med slednje zagotovo sodi Laboratorij za bio integrirano fotoniko pod vodstvom dr. Matjaža Humarja, kar se odraža v številnih objavah v uglednih znanstvenih revijah (celoten seznam na voljo na spletni strani TUKAJ). Pomemben član raziskovalne skupine je tudi doktorski študent Aljaž Kavčič, ki svoje raziskovanje posveča kvantni optiki. Z njim smo se pogovarjali o začetkih dela v laboratoriju, doktorski nalogi, sodelovanju v skupini in načrtih za prihodnost.
Aljaž, kako to, da te je pot privedla do Laboratorija za bio integrirano fotoniko?
IJS sem poznal, še preden sem začel s študijem fizike. Tu namreč dela tudi moj oče, in sicer na mikroanalitskem centru v Podgorici (odsek F2, op. a.), kjer se ukvarja z rentgensko spektroskopijo. Konkretno sem začel o delu na institutu razmišljati konec drugega letnika. Priložnosti je bilo veliko, saj je praktično celoten institut povezan s fakulteto, kjer veliko raziskovalnih možnosti za eksperimentalce ni, ker so skupine usmerjene večinoma v teorijo. Pozanimal sem se, s čim se ukvarjajo različne raziskovalne skupine, predvsem Odsek F5. Dr. Matjaž Humar je ravno takrat začenjal s svojim laboratorijem in je iskal študente, ki bi bili zainteresirani za delo. Hkrati se mi je njegov načrt dela zdel precej ambiciozen in pozicija primerna za začetek raziskovalnega dela. Kasneje sem spoznal, da pri svojem delu lahko kombiniram teorijo, prakso, konkretne eksperimente, razna modeliranja – skratka širok nabor možnega fizikalnega raziskovanja. Z delom sem vztrajal do konca magisterija, zdaj pa prvo leto nadaljujem z doktorskim študijem.
Če se malo vrneva čisto na začetek, kako pomembno je bilo predznanje?
Rekel bi, da neko konkretno fizikalno predznanje pravzaprav ni bilo potrebno oz. je bilo dovolj časa, da se znanje o konkretni tematiki pridobi. Bolj se mi je zdelo pomembno splošno znanje, ki ga na fakulteti pridobiš v tem, kako se s samimi problemi soočati, in kako zanje raznih računalniških veščin, na primer programiranja, optimiziranja rezultatov in podatkov, pravilno uporabiti. Pomembno je tudi, da znaš kako novo tematiko dovolj hitro osvojiti. Tudi sam pred začetkom še nisem bil konkretno seznanjen s podrobnostmi s tega področja, vendar sem se jih priučil. Sprva sem se največ naučil preko študiranja raznih člankov in tako osvojil neke teoretične osnove. Potem sem tudi preko poskusa dobil občutek za uporabo razne opreme za izvedbo eksperimentov in neke konkretne ideje, kaj bi lahko lahko iz tega naprej raziskoval.
V laboratoriju delate tudi eksperimente s celicami. Kakšno se tebi zdi povezovanje med fiziko in ostalimi vedami, konkretno bilogijo?
Večina mojega dela je fizikalnega. Biološki del je bolj kot ne samo področje, na katerega konkretno fizikalno znanje in rezultate apliciramo. Kot primer lahko vzamem uporabo mikrolaserjev v celicah za merjenje izbranih fizioloških parametrov. Tu so same meritve popolnoma fizikalne in zelo zanimivo je, ker se lahko uporabijo na najrazličnejših področjih od biologije do medicine. Sam nekega konkretnega biološkega znanja za svoje meritve tukaj niti nisem potreboval. Sama priprava bioloških vzorcev je namreč v domeni biologov, ki tudi delajo v naši skupini. Je pa to seveda zanimivo in zelo široko interdisciplinarno področje, ki je lahko zanimivo za marsikoga, ne samo za fizika.
S čim se ukvarjaš trenutno?
Za temo mojega doktorata smo poskusili kvantno optiko aplicirati v bioloških sistemih, konkretno v celicah. Tukaj imam v mislih izvore posameznih fotonov, recimo proces SPDC (angl. spontaneus parametric down conversion ali spontana pretvorba fotona v dva fotona nižjih energij), ki je neliearen kvantni proces. To so sistemi z zelo različnimi lastnostmi svetlobe v primerjavi s klasičnimi, saj je emisija povsem kvantnega izvora in je res mogoče beležiti posamezne fotone. To ponuja veliko možnosti za razno razne aplikacije od bolj precizne senzorike v biologiji, beleženja kemijskih procesov znotraj celic, do kvantne komunikacije, kriptografije, generiranja naključnih števil. Čisto točne aplikacije sistema v tej fazi projekta še niti nismo točno dogovorili, seveda pa so odprte različne možnosti. V začetku je prioriteta predvsem dokazati, da je integracija enofotonskih sistemov v posamezno celico sploh mogoča.
Kaj bi bila največja prednost postopka, ki ga razvijaš, v primerjavi s tradicionalnimi?
Za boljše razumevanje bi bilo dobro poznati nekaj teoretičnega ozadja. Klasični izvori svetlobe, kot npr. luči, LED, laserji, imajo široko porazdelitev števila fotonov. To pomeni, da intenziteta sicer makroskopsko deluje konstantno, ampak so na nivoju posameznih detektiran fotonov prisotne fluktuacije v skladu s Poissonsko porazdelitvijo. Temu rečemo intrinzičen šum (angl. shot noise), ki se ga s klasičnimi izvori svetlobe ni mogoče znebiti.
Na drugi strani imamo enofotonske izvore, torej kvantne izvore svetlobe, ki lahko izsevajo natanko en foton. Konkretni primeri so atomi, ki gredo skozi ponavljajoč se cikel prehoda elektrona iz osnovnega v vzbujeno stanje in nazaj, pri čemer je emitiran samo en foton. Če nam uspe izolirati en sam tak atom, bomo v točno določenih časovnih intervalih zaznali zgolj en foton.
Žal so atomi in molekule, ki imajo značilnosti enofotonskega izvora, v smislu praktične uporabe precej zahtevni, saj zahtevajo zelo specifične pogoje, kot na primer nizke temperature ali zelo stabilno okolje.
Obstajajo tudi drugi tipi takih izvorov, ki so bolj robustni in nasploh primerni za uporabo v običajnih razmerah in bioloških sistemih. Tak je na primer hBN (angl. hexagonal bohron nitride oz. heksagonalni borov nitrid) v obliki polprevodniških nanodelcev, ki jim z ultrazvokom razbijemo kristalno strukturo. Tako se na določenih mestih pojavijo defekti (manjkajoči atomi) s spektralnimi lastnostmi posameznih atomov. Hkrati so uporabni pri sobnih temperaturah in biokompatibilni, torej bi bili primerni za vgradnjo v posamezne celice, ki bi omogočila neinvazivno proučevanje slednjih.
V naslednji stopnji raziskav bi beležili posamezne fotone in enofotonsko statistiko ter korelacije. S tem bi dobili izredno občutljivo metodo detekcije svetlobe znotraj posameznih celic na nivoju posameznih fotonov, preko česar bi lahko izboljšali sposobnost optičnih metod senzorike znojtrajceličnih procesov in parametrov (pH, glukoza) ter izrabljali kvantne korelacije izsevanih fotonov. Nek dolgororočni cilj je mogoče tudi medcelična kvantna komunikacija.
Kakšno je v laboratoriju razmerje eksperiment/teorija?
Težišče raziskav je nedvomno na eksperimentu, seveda je pa sploh v štartu nekega projekta, ko se srečaš z novo tematiko, potrebno nekaj teoretičnega znanja, da sploh razumeš, za kaj se gre. Slednje ti je lahko tudi v zelo veliko pomoč pri samih meritvah, da lažje identificiraš problem in najdeš rešitev. Je zelo lepa paleta vsega, od eksperimentov do modeliranja, teorije. Seveda pa si lahko vsak posameznik v neki meri tudi sam kreira, česa bo delal več ampak s poudarkom na eksperimentu.
Ob vsem delu v laboratoriju katera je tista stvar, na katero si najbolj ponosen?
Rekel bi, da sem najbolj ponosen na svojo magistrsko nalogo z naslovom Mikroskopija in senzorika skozi sipajoča tkiva z uporabo optičnih mikroresonatorjev. Ta je zajemala moje raziskovanje od samih začetkov dela v laboratoriju. Šlo je za precej širok projekt z obširno tematiko, na podlagi katerega je izšel tudi članek. Prejel sem tudi študentsko Prešernovo nagrado univerze v Ljubljani, ki mi je dala še dodatno potrditev, da delam v pravi smeri.
Kakšna je “klima” v laboratoriju?
Osebno sem zelo zadovoljen, saj gre za zelo lepo delovno okolje. Matjaž je odličen mentor, saj daje zelo dobre smernice, kako delati, pusti pa tudi določeno svobodo, kar se mi zdi, da je za doktorskega študenta zelo pomembno. Tudi z ostalimi sodelavci zelo veliko sodelujemo pri ostalih projektih in pri vseh meritvah, ki se izvajajo, nas je več vpetih – vsi vemo, kaj se dela v vseh laboratorijih. Imamo tedenske sestanke, na katerih smo seznanjeni z delom drugih. Tudi ko ne gre izključno za raziskave, smo veliko skupaj in zelo povezani.
Koliko je sodelovanja s tujino?
Nekaj sodelvanja definitivno je, saj imamo tudi nekaj tujih sodelavcev. Predvsem Matjaž ima veliko različnih kontaktov širom po svetu. Jaz sem trenutno še v fazi študija oziroma raziskovalnega dela, ko veliko sodelovanja s tujimi laboratoriji ni.
Kakšne so tvoje ambicije za naprej?
Nikoli nisem delal nekih silnih dolgoročnih načrtov. Zaenkrat je prioriteta doktorski študij, se zraven veliko naučiti, delati stvari, ki me zanimajo in se mi zdijo uporabne. Doktorat pa sigurno odpre različna vrata za naprej, možnost nadaljnjega raziskovanja tukaj ali v tujini, lahko pa me ponese tudi v čisto druge vode. Svoje opcije si definitivno puščam odprte.
