Pohyb světlem od dávné vesmírné sci-fi po dnešní realitu mikrosvěta

Paprsky z fotonů neslouží jen k záření, lze jimi také třídit, posouvat, nebo dokonce chladit. Byť pouze u miniaturních předmětů. Vědci se pokouší pomocí světla rozpohybovat například mikroroboty, kteří by se po ozáření dokázali sami poskládat a doparavit na učené místo. Výzkumu fotonů a využití silových účinků světla se věnuje laureát Akademické prémie Pavel Zemánek z brněnského Ústavu přístrojové techniky AV ČR. Tématu jsme se věnovali v časopise A / Věda a výzkum.

Obrovský kotouč plachty, který napínal lanoví, se už naplnil větrem, vanoucím mezi světy. Za tři minuty začne závod, ale John Merton se teď cítil uvolněnější a klidnější než za celý poslední rok. Těmito slovy začíná povídka Sluneční vítr, kterou v roce 1963 napsal Arthur C. Clarke. Popisuje v ní neobvyklý závod sedmi kosmických jachet, které se hnaly od oběžné dráhy Země směrem k Měsíci.

Zmíněný „vítr“ byl ve skutečnosti jas z naší nejbližší hvězdy. Sluneční plachetnice dnes už nejsou jen sci-fi. V roce 2010 vyslalo Japonsko na oběžnou dráhu první úspěšné zařízení tohoto typu s plachtou o  rozměrech 14 × 14 metrů.

Proud fotonů ze Slunce nabízí úctyhodný výkon 1300 wattů na metr čtvereční. Nicméně po přepočtu na silové účinky je to nepatrný tlak, odpovídající přibližně pozemské váze tří makových zrníček na metr čtvereční. Díky nulovému odporu vakua a nepřetržitému působení ale mechanismus slunečních plachetnic opravdu funguje.

Stačí nastavit čočky
Vědecko-fantastičtí spisovatelé dráždili představivost Pavla Zemánka z brněnského Ústavu přístrojové techniky AV ČR už na gymnáziu. Arthur C. Clarke a další autoři hleděli do budoucnosti a v tehdejším středoškolákovi podněcovali zájem o ní přemýšlet. Učaroval mu svět na hranici fyzikálního poznání. Zaujala ho zvláště silová pole, která zabraňují předmětům v pohybu – nehmotná síla ovlivňující hmotu.

Jeho zájem se o řadu let později realizoval ve vědecké dráze v oboru optické mikromanipulační techniky. Fakt, že fotony mají schopnost pohybovat objekty, je vědě znám nejméně od roku 1619, kdy na něj poukázal astronom Johannes Kepler. Popsal, že sluneční svit odklání chvosty komet směrem od Slunce. Jde o zmíněné tlačné svazky v makrosvětě. Pavel Zemánek a jeho kolegové také zkoumají fotony, ale opačným způsobem – jako tažné svazky v mikrosvětě. V roce 2013 experimentálně předvedli, že laserový svazek dokáže pohybovat částicemi proti proudu záření.

Fotony naráží v určitém úhlu na objekt a rozptylují se. Při dopadu vzniká síla, jejíž velikost a směr jsou pro pohyb předmětu klíčové. To, jestli se částice posouvá po směru, nebo proti směru fotonů, závisí mimo jiné na polarizaci laserového světla. Její otočení o 90 stupňů donutí částici, aby se začala pohybovat opačně.

Vědci zkoumají využití silových účinků světla na miniaturních objektech. K experimentům nejčastěji používají mikrometrové kuličky, jejichž průměr odpovídá setině šířky lidského vlasu. Silové působení běžného světla je totiž velmi malé. Například jediný foton dokáže změnit rychlost nejlehčího atomu – kterým je atom vodíku – jen o 1,5 metru za sekundu. K pohybu miniaturních kuliček je tak zapotřebí každou sekundu mnoha biliard fotonů. Překvapivé může být, že takový proud poskytuje i obyčejné laserové ukazovátko. Nejde tedy o výkony, které něco řežou nebo pálí, přesto svedou pohnout objekty o velikosti od desítek nanometrů po stovky mikrometrů.

Síto i pinzeta
Dokázali by vědci pošťouchnout ve vzduchu i objekty, které známe z makrosvěta, třeba propisku? Ano, ale jen za podmínky, že by neabsorbovala fotony, což je nereálné. Ve chvíli, kdy předmět světlo i sebenepatrněji pohlcuje, začne se zahřívat. Když je paprsek příliš silný, po nějaké době věc vzplane nebo se roztaví. „K manipulaci tužkou ve vzduchu by byl potřeba tak silný laser, že místo pohybu by se spíš vypařila,“ přibližuje Pavel Zemánek.

Brněnští vědci se nesoustředili jen na tažné paprsky. Vymýšleli, jak proud fotonů využít i jinak. Potvrdilo se, že při osvícení se shluk různě velkých částic automaticky roztřídí. Na základě toho tým Pavla Zemánka vymyslel několik typů optických třídiček. Při jejich použití se větší polystyrenové kuličky seřazují nalevo, zatímco menší napravo. Světlo tedy vytvoří jakési optické síto, které částice oddělí podle velikosti. Uvedený princip funguje rovněž u živých organismů. Ty mají ovšem různorodé tvary a složitější vnitřní strukturu, což použití optického síta trochu komplikuje.

Dnes už zavedeným nástrojem ve fotonice je optická pinzeta. Oproti klasické je mnohem přesnější. Zařízení soustředí paprsky na plošku o velikosti jednoho mikrometru. Částice je chycena v optické pasti a nemůže z ní utéct. Když se zvolí správná vlnová délka, zachycený objekt se světlem nijak nepoškodí. Optická pinzeta se nejčastěji používá pro manipulaci s živými mikroorganismy, ale funguje i při práci se spermiemi, viry, nebo dokonce umožňuje manipulovat uvnitř větších buněk. Paprsky proniknou buněčnou membránou, aniž by ji poškodily. „S optickou pinzetou pracujeme už asi dvacet let. Kromě toho se nám podařilo některá zařízení tohoto typu uvést na trh, třeba ve spolupráci s firmou Meopta nebo PSI,“ říká Pavel Zemánek.

Jeho tým experimentuje rovněž s takzvanou opticky vázanou hmotou. Nedrží ji pohromadě elektrické pole, ale rozptýlené fotony. Pouhým nasvícením se jednotlivé částice samy uspořádají do struktury a vytvořený útvar se pohybuje rychleji a jinam než samostatné částice. Ostatně s těmito pokusy mají badatelé velké plány. Rádi by vytvořili funkční, světlem poháněné mikroroboty. Ti by se po ozáření sami poskládali a dopravili do určité osvětlené oblasti. S sebou by mohli vzít, co je potřeba, například léčivo.

Uvnitř vakuové komůrky se pomocí laserových svazků zachycují a chladí nanočástice.(CC)

Přesun do kvantového světa
Vedle klasických efektů by se vědci rádi zaměřili také na kvantové. „Někdo říká, že nastává druhá kvantová revoluce. První spočívala v objevu tranzistoru a laseru. Současná revoluce může běžet po několika liniích a my jsme si vybrali tu, se kterou dokážeme experimentálně pracovat,“ vysvětluje vědec. Tuto fázi vývoje podpoří Akademická prémie. Pavel Zemánek je jednou ze čtyř osobností, které grant loni získaly.

Díky udělené finanční podpoře se budou moct experimenty nově odehrávat v prostředí vakua – mikroroboti či optická pinzeta běžně fungují v kapalině, v ní ale na objekty působí molekuly vody a posunují je do různých směrů. Pokusy ve vakuu umožní interakci nanoobjektů pouze s fotony, které na ně výzkumníci namíří. Cílem je odebrat objektům pomocí fotonů mechanickou energii a dostat je do stavu s co nejnižší energií, kterou jim kvantová fyzika dovoluje, tedy do takzvaného základního stavu.

Pavel Zemánek přiznává, že na kvantové úrovni existuje ještě spousta otazníků, například jak dlouho jedna částice při experimentu v základním stavu zůstane. Každý krůček v poznání však může přispět k pochopení těchto procesů a budoucímu využití kvantových technologií. I proto je rád, že Akademická prémie poskytuje volnost, jakým směrem se při výzkumu vydat. Když se ukáže, že perspektivní je nějaká nepředpokládaná cesta, není problém po ní vykročit a vyzkoušet úplně nové věci.

Fantazie, hledání, či dokonce tápání a omyly patří nerozlučně k vědě, stejně jako ke světu příběhů sci-fi spisovatelů. Přestože si někdy vykládají fyzikální zákony tak trochu po svém, inspirují nejednoho vědce k prozkoumávání dosud neověřených hypotéz.

(CC)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D.
Ústav přístrojové techniky AV ČR

Vede oddělení mikrofotoniky. V brněnském ústavu pracuje od roku 1991. Vystudoval fyzikální elektroniku na Přírodovědecké fakultě Masarykovy univerzity. Odbornou stáž absolvoval mimo jiné v laboratořích Oxfordské univerzity nebo Univerzity v St Andrews.

Všechna dosavadní čísla časopisu A / Věda a výzkum jsou k dispozici zdarma a online na našem webu.

2/2021 (verze k listování)
2/2021 (verze ke stažení)

Text: Jan Klika, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Jana Plavec, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR; Shutterstock

Text a fotografie jsou uvolněny pod svobodnou licencí Creative Commons.

Přečtěte si také

• Ochočené světlo: Nové mikroskopy proniknou do dříve netušených hloubek
• Deformace silou magnetu. Unikátní spektroskopie odhalila vlastnosti slitiny
• Revoluční metoda českých vědců odhaluje strukturu chromozomu
• Další úspěšný krok na cestě k termojaderné fúzi, hlásí američtí vědci
• Strážci přesné sekundy. Jak se měří, uchovává a sdílí čas?
• Pevná a ohebná jako kost. Slitina je příslibem nové generace implantátů
• Čistíme vodu efektivně? Kvalitu je možné snadno zvýšit, říkají vědci
• Výměna dvou Sluncí: jaderná fúze slibuje bezpečnou a čistou budoucnost
• Vize pro energii budoucnosti nabývá konkrétních obrysů díky novému tokamaku
• Obstála ve světě oceli, navíc v Japonsku. Vědkyně rozvíjí unikátní mikroskopii