English
Za účasti významných zahraničních hostů byla 19. října 2015 v Dolních Břežanech otevřena budova laserového výzkumného centra ELI-Beamlines. Oficiálně tak skončila první fáze realizace projektu s mezinárodním významem. „Přestože cesta k otevření ELI-Beamlines byla dlouhá, stále se nacházíme teprve na začátku úžasných objevů,“ konstatoval předseda AV ČR prof. Jiří Drahoš, který rovněž připomněl, že právě před rokem se otevřelo naproti stojící a již funkční laserové centrum HiLASE.
Všechna fota: Stanislava Kyselová, Akademický bulletin
Laserové centrum ELI-Beamlines otevřely osobnosti vědecké i politické sféry.
ELI-Beamlines, jehož vybudování zajišťuje Fyzikální ústav AV ČR, sestává ze čtyř laserových systémů fungujících ve vzájemné součinnosti. Unikátní propojení umožní nové typy experimentů. Lasery s označením L3 a L4 mají být nejvýkonnějšími zařízeními svého druhu na světě – L3 bude mít nejvyšší průměrný výkon, L4 nejvyšší špičkový výkon. FZÚ AV ČR se věnuje technologickému vývoji příslušných laserů: L1 pro ELI-Beamlines se celý staví v Česku, L2 zčásti, pro L3 se zde staví kompresory PW, respektive 10 PW pulsů a elektronika. Tyto patrně nejrozsáhlejší fyzikálně technologické aparatury dosud vyvíjené v ČR jsou světovým unikátem. Lasery vyvíjené ve FZÚ AV ČR jsou určeny pro průmyslové a medicínské aplikace, pro účinné obrábění a nanostrukturování materiálů nebo pro metrologii multivrstvé rentgenové optiky. Ústav se podílí i na přípravě nových laserových systémů v rámci projektu laserového centra HiLASE (viz také AB 3/2015), které bylo otevřeno v loňském roce, a zaměřuje se na vývoj a testování špičkových laserů s vysokou opakovací frekvencí a laserových technologií nové generace. Nikoli náhodou proto zařízení HiLASE stojí v těsné blízkosti budovaného ELI-Beamlines, které samo o sobě sestává ze složité soustavy laserových, optických, vakuových a elektronických systémů a podsystémů, jež mají zprostředkovat přelomové výsledky v oblasti molekulárních, biomedicínských a materiálových věd. Nesmírně krátké a vysoce intenzivní pulzy generované laserovými systémy ELI-Beamlines poskytnou platformu pro mnohé programy základního výzkumu: studium interakcí laserového záření s hmotou v zatím neprobádané oblasti intenzit, zkoumání vlastností hmoty v extrémních podmínkách, pod vlivem velkých tlaků a teplot atd. (Podrobněji v rozhovoru Laserová technologie a Gérard Mourou – AB 6/2015).
Ceremoniálu v Dolních Břežanech se zúčastnilo mnoho zahraničních hostů.
Klub vědeckých novinářů ve spolupráci s redakcí Akademického bulletinu a FZÚ AV ČR pozval na obě pracoviště zahraniční vědecké novináře, kterým starosta Dolních Břežan Ing. Věslav Michalík představil též koncepci rozvoje obce i blízkého regionu v rámci projektu STAR. Aby si novináři mohli zařadit laserový výzkum v České republice do celkového kontextu, navštívili rovněž areál AV ČR na Ládví – pracoviště PALS, Tokamak (obě ÚFP) a laserové laboratoře FZÚ.
Vědecká témata ELI Beamlines jsou rozdělena do šesti výzkumných programů (viz http://www.eli-beams.eu/cs/vyzkum/). První z nich Lasery pro generaci repetičních ultrakrátkých pulzů a o výkonech násobků petawattů zahrnuje především vědecké a inženýrské návrhy laserového systému a jeho jednotlivých složek, jejich vývoj, testování a optimalizaci. Výzkumný program 2 – Rentgenové zdroje čerpané ultrakrátkými laserovými pulzy – se zaměřuje na vývoj nových, vzájemně komplementárních rentgenových zdrojů, které umožní mj. studovat rychlé děje odehrávající se v časových škálách v řádu molekulárních a atomových vibrací, například ultrarychlé reakce a přechodové jevy ve fyzice či v biochemii. Třetí výzkumný program Urychlování částic pomocí laserů má za cíl vývoj a realizaci pokročilých zdrojů laserem urychlených elektronů, protonů a iontů emitovaných v unikátním energetickém rozsahu pro řadu praktických aplikací, mezi nimiž má být i vývoj levných protonových zdrojů pro léčbu rakoviny. Výzkumný program číslo 4 cílí na Aplikace v molekulárních, biomedicínských a materiálových vědách, pátý míří do oblasti Fyziky plazmatu a vysokých hustot energie a bude zkoumat unikátní stavy hmoty. Šestý program Exotická fyzika a teorie se bude věnovat čistě kvantově elektrodynamickým procesům, jež se vyskytují v přítomnosti extrémně vysokých laserových polí.
Jak vysvětluje vedoucí oddělení experimentálních programů ELI-Beamlines dr. Georg Korn, experimenty možná odhalí, jak rozbít vakuum pomocí ultra--intenzivních laserových pulzů nebo přispějí k pochopení některých astrofyzikálních jevů a tím k lepšímu porozumění vesmíru jako takovému.
Jako laikovi mi není jasné, jak chcete pomocí vysoce výkonných laserů testovat vakuum, existenci neznámé hmoty ve vesmíru a podobně…
Rozbít vakuum je tak trochu dávný sen fyziků, protože na první pohled by se mohlo zdát, že vakuum se skládá z ničeho. To však není pravda, vakuum není nicota: existují různé teorie o existenci tzv. virtuálních částic ve vakuu, které se mohou „zhmotnit“, „materializovat“, když vakuum ionizujete. V zásadě jde o sen lidstva, vytvořit – dá se říct – hmotu z ničeho, kde ono nic je vakuum. K tomu jsou ale potřeba extrémně intenzivní laserové pulzy, což je značný problém. My se budeme snažit krok za krokem a různými metodami postupovat k intenzitám, které nám dovolí zahlédnout a testovat strukturu vakua.
Zní to bezesporu zajímavě, ale můžete podrobněji popsat, jak lze využít laserů k „rozbití“ vakua, co s nimi budete konkrétně dělat?
V zásadě to vypadá následovně: laser má vysokou intenzitu, když ho soustředíte na extrémně maličkou plošku. V nesmírně malém prostoru tak vytvoříte extrémně silná elektrická pole – a právě ona mohou „rozbít“ vakuum. Podobně jako když při bouři blesk protne atmosféru. Takže velmi silným elektrickým polem ionizujete, jako by „osvobodíte“ částice – elektrony, pozitrony – z vakua. To už ale zacházíme hodně daleko, co se týče cílů ELI. Právě budujeme a chystáme se využívat zařízení pro širokou škálu nejrůznějších uživatelů, například pro odborníky v oblasti materiálových věd, kteří budou hledat nové materiály a snažit se o lepší pochopení jejich vlastností. Usilujeme o dokonalejší zobrazování a poznávání biologických vzorků či o řešení medicínských problémů pomocí velmi pokročilých rentgenových zdrojů čerpaných ultrakrátkými laserovými pulzy nebo prostřednictvím protonových zdrojů. Jedná se o problémy takříkajíc více spojené s „reálným světem“ než rozbíjení vakua. Samozřejmě, že máme i tyto veliké vědecké cíle, ale dnes řešíme spoustu dalších otázek důležitých pro zkvalitnění života společnosti. ELI-Beamlines byl po-staven nejen pro „vysokou vědu“, ale také pro praktické aplikace umožňující lépe porozumět řadě běžných problémů, zlepšit lidské zdraví a usnadnit život společnosti jako celku.
Uvedl jste, že lasery ELI-Beamlines mohou být využity i v biologických výzkumech – můžete zmínit několik příkladů?
Jistě, jsou různé. Teď se snažíme připravit pokusy zkoumající, jestli dokážeme velmi přesně zobrazovat určité biologické molekuly, abychom poznali například jejich trojrozměrné prostorové uspořádání a chování v konkrétních reakcích: třeba jak se skládají proteiny – což je velice důležité, protože funkčnost proteinů definuje jejich prostorová konfigurace. Snažíme se tedy k těmto účelům vytvořit nástroje, jejichž pomocí bychom mohli dotyčné jevy přímo pozorovat a detailněji poznat, co se děje v dané biomolekule, k jakým procesům tam dochází. Tato část výzkumů je značně rozsáhlá a velmi komplikovaná, ale těšíme se, že budeme moci sledovat dané procesy a objekty v reálném čase pomocí laserů, které stavíme.
S vysokými očekáváními spojuje ELI-Beamlines také prof. John Collier, ředitel Central Laser Facility při Rutherford Appleton Laboratory ve Velké Británii, člen Mezinárodního vědeckého poradního výboru pro ELI.
Jaké vědecké cíle této infrastruktury považujete za stěžejní?
Vysokoenergetické lasery už zde máme několik desetiletí a vždy to byla veliká zařízení pevně spojená se základním výzkumem. V posledních letech si však lidé začali uvědomovat, že mají také značný inovační a aplikační potenciál. Dají se konfigurovat tak, že vytvářejí velmi jasné zdroje rentgenového záření, elektronů, protonů atd. využitelné v průmyslu i pro potřeby společnosti obecně. Projekt ELI-Beamlines zde v České republice je tak speciální právě tím, že byl záměrně zkonstruován způsobem, díky němuž bude vědecký nástroj kdysi určený k poněkud odtažitým účelům nacházet i široké praktické využití například pro zobrazování v lékařství a v průmyslu. Zdroje s požadovanými vlastnostmi se nedají vytvořit žádným konvenčním způsobem. Jsem proto přesvědčen, že stojíme na počátku doslova revolučních poznatků a postupů.
Jaká oblast výzkumu vás zajímá nejvíc?
Mezi strhující otázky patří schopnost laserů urychlovat částice, zejména elektrony. Je pravda, že je už urychlujeme více než sto let, od jejich objevu; vybudovali jsme rozsáhlé systémy – cyklotrony atd. – ke generování rentgenového záření využívaného v mikroskopii, při zkoumání struktury molekul léků atd. Lasery dokážou vytvářet podobně energetické elektrony, které se posléze dají využít pro generování záření rentgenového nebo gama, ale pomocí zařízení, jež jsou potenciálně přenosná, přemístitelná. Neříkám, že je budeme mít hned zítra, ale pokrok dosažený v potřebném směru v minulém desetiletí je značný. Nejen ELI, ale i moje domovská instituce, Rutherford Appleton Laboratory, se aktivně zapojuje do využití těchto zdrojů k zobrazování s vysokým rozlišením, ať už v průmyslu nebo v medicíně. Velmi vzrušující možnosti se podle mého názoru nabízejí v oblasti vysokoenergetických protonů a iontů, jež by v náležitém čase mohly najít uplatnění v onkologii při léčbě nádorových onemocnění; aplikace se zjevně rýsují též ve sféře bezpečnosti – například pro rychlou kontrolu nákladních automobilů a jejich nákladů na hranicích atd.
Co se týče urychlování částic pomocí laserů – výhoda je pouze v tom, že taková zařízení mohou být mnohem menší než klasické urychlovače, nebo mají i jiné přednosti?
Mají dvě zásadní výhody: první je opravdu velikost – dají se v principu vyvinout lasery rozumných rozměrů, které se vejdou do laboratoře, na univerzitu, do nemocnic atd.; jinak byste ke stejným účelům potřebovala celé specializované vědecké ústavy. Jde tedy o podstatné zmenšení. Druhou výhodou je skutečnost, že lasery mohou vytvářet zdroje s takovými vlastnostmi, jakých by se nedalo dosáhnout v konvenčních zařízeních. Nevyvíjí se tedy pouhá doplňující, alternativní technika, ale vytváří se něco nového, nerealizovatelného tradičním způsobem. Považuji to za velice vzrušující – zejména vzhledem k ultrakrátkým a vysoce intenzivním svazkům se supervysokým jasem. Takže podstatná je velikost, kompaktnost a vlastnosti těchto laserových zařízení ve srovnání s konvenčními zdroji.
MARINA HUŽVÁROVÁ a JANA OLIVOVÁ