Prof. Antoni Rogalski: Od ciekawości do przełomu technologicznego

Prof. dr hab. inż. Antoni Rogalski, członek rzeczywisty PAN, od ponad pięciu dekad jest związany z Wojskową Akademią Techniczną. To jeden z najbardziej rozpoznawalnych na świecie polskich badaczy w dziedzinie optoelektroniki i fotoniki, specjalista od detektorów podczerwieni i półprzewodników do detekcji promieniowania elektromagnetycznego

Profesor kierował Instytutem Fizyki Technicznej WAT, współtworzył zaplecze badawcze dla rozwoju Vigo System, opublikował 16 monografii i ponad 350 indeksowanych prac naukowych, a jego książka Infrared and Terahertz Detectors należy do najważniejszych światowych pozycji w tej dziedzinie.

Academia: Czy pamięta Pan moment, w którym pomyślał Pan, że technologia, nad którą pracuje, to nie tylko ciekawa fizyka, lecz coś, co może realnie zmienić świat?

Prof. Antoni Rogalski: Chyba już na etapie pracy dyplomowej w 1971 roku. Trzeba pamiętać, że był to okres zimnej wojny, konfrontacji Wschód–Zachód. Mój opiekun naukowy zaproponował mi temat związany z detektorem podczerwieni o maksymalnej czułości dla długości fali 10,6 mikrometra. Kilka lat wcześniej odkryto laser CO₂ i był to jeden z fundamentów rozwoju nowoczesnej optoelektroniki. Poszukiwano wtedy dobrych sensorów dla promieniowania 10,6 mikrometra.

Pracowałem nad domieszkowanym germanem, ale już wtedy było wiadomo, że odkryto tellurek kadmowo-rtęciowy. To potrójny półprzewodnikowy roztwór stały, o którym niewiele wtedy mówiono, bo obie strony konfrontacji Wschód–Zachód zdawały sobie sprawę z jego znaczenia. Charakteryzuje się wąską przerwą energetyczną, jest czuły na daleką podczerwień i kluczowy w zastosowaniach termograficznych, wykrywaniu obiektów czy też sterowaniu pociskami w systemach naprowadzania.

Dlaczego to było aż tak ważne?

Ten, kto lepiej „widział” w nocy (dysponował lepszymi systemami obserwacji), czy to w systemach wyposażenia pilotów, czy w systemach naprowadzania pocisków, zyskiwał przewagę technologiczną na polu walki. Istniały już wtedy rozwiązania oparte głównie na domieszkowanym germanie, ale wymagały bardzo głębokiego chłodzenia, poniżej temperatury ciekłego azotu (poniżej 77 kelwinów). To czyniło je drogimi, ciężkimi i mało praktycznymi. Już wtedy było jasne, że trzeba skoncentrować się na materiałach półprzewodnikowych o wąskiej przerwie energetycznej. 

Czujniki podczerwieni stały się tym, z czego jest Pan najbardziej znany. W pewnym sensie stworzył Pan polską szkołę technologii podczerwieni.

Dużą rolę odegrał też profesor Józef Piotrowski. Jest ode mnie nieco starszy i w początkowym okresie bardzo dużo się od niego nauczyłem. To wokół niego zaczęła się tworzyć grupa ludzi, którzy myśleli o tym, jak z badań nad półprzewodnikami o wąskiej przerwie energetycznej wykreować produkt komercyjny.

W latach 80. część zespołu z Instytutu Fizyki Technicznej, którym już wtedy kierowałem, wyodrębniła się i utworzyła spółkę Vigo, istniejącą do dziś i bardzo dobrze prosperującą. Ostatnio przejęła nawet amerykańską firmę InfraRed Associates, Inc., działającą w podobnym obszarze. To oczywiście cieszy, ale mnie bardziej interesowały badania fundamentalne. Bardziej pociągało mnie poznawanie właściwości fizycznych niż doskonalenie produktów innowacyjnych. Zostałem więc na uczelni, budowałem zespół naukowy i z czasem doprowadziliśmy do tego, że stał się dobrze rozpoznawalny na świecie.

Czy to wciąż dziedzina, w której możliwe są przełomy, czy raczej obszar stopniowych ulepszeń?

Przełomy są nadal możliwe. Ta naukowa dociekliwość, potrzeba odkrywania nowych zjawisk, towarzyszyła mi przez całe życie. Po domieszkowanym germanie podjąłem badania związków ołowiu, głównie tellurku ołowiowo-cynowego. W latach 70. fotodiody z tego półprzewodnika były nawet lepsze od tych opartych na tellurku kadmowo-rtęciowym, bo ich technologia była łatwiejsza do opanowania.

Później wróciłem do tellurku kadmowo-rtęciowego, ale cały czas szukałem alternatyw. Pod koniec lat 80. zainteresowałem się związkami III–V. Napisałem wtedy dużą pracę o antymonku indowo-arsenowym, nie przewidując jeszcze, że materiał ten stanie się po latach jednym z kluczowych. Paradoks polega na tym, że moje prace z lat 80. początkowo nie miały większego znaczenia, a po trzydziestu latach stały się ważnym punktem odniesienia dla badań podstawowych. W nauce często tak właśnie bywa.

Dziś nie chodzi już tylko o materiały lite, typu tellurek kadmowo-rtęciowy czy tellurek ołowiowo-cynowy, lecz o supersieci – struktury zbudowane z naprzemiennych cienkich warstw o różnym składzie. Dają one znacznie większą swobodę w projektowaniu właściwości fizycznych materiałów i dostrajaniu ich czułości do określonych zakresów widmowych.

I z tego wyrosła współpraca z Vigo System przy nowych technologiach?

Na przełomie XX i XXI wieku, zainicjowałem utworzenie laboratorium do wzrostu warstw epitaksjalnych. Była to bardzo kosztowna inwestycja. Dziś jest łatwiej pozyskać finansowanie aparatury naukowej niż 20 lat temu. Wtedy zdobycie środków na taką inwestycję było ogromnym wyzwaniem. Udało się to dzięki współpracy z Vigo System. Nie miałem wsparcia ze strony uczelni (WAT), która na początku XXI w. znajdowała się w trudnej sytuacji finansowej uwarunkowanej niepewnością jej dalszego funkcjonowania. Z perspektywy czasu była to bardzo dobra decyzja. Powstał model współpracy, w którym firma komercyjna koncentrowała się na wdrożeniach, a my na badaniach fundamentalnych. Utworzyliśmy wspólne zespoły i projekty, finansowane zarówno przez NCN, jak i NCBR. Efektem było pojawienie się na globalnym rynku polskich detektorów podczerwieni opartych na supersieciach związków III–V. Myślę, że stanowimy dobry przykład udanej współpracy nauki z innowacyjnym biznesem – modelu, który działa do dziś.

Czyli wszystko zaczęło się od ciekawości?

Tak. Początkowo w latach 70. inicjatorem badań nad tellurkiem kadmowo-rtęciowym był prof. Józef Piotrowski. Natomiast późniejszy rozwój technologii w XXI wieku, przejście na technologię MOCVD (metalorganic chemical vapor deposition) tellurku kadmowo-rtęciowego i MBE (molecular beam epitaxy) supersieci, to już była w dużej mierze moja inicjatywa związana z utworzeniem wspólnego laboratorium Vigo-WAT.

Pracuję od 1972 r. i byłem obserwatorem bezprecedensowej ewolucji rozwoju elektroniki i sztucznej inteligencji, a także zmiany ustrojowej w Polsce. Kluczowym wydarzeniem na mojej drodze naukowej był subbatical w Northwestern Universisty (USA) na początku lat 90. Podpatrywanie najlepszych w organizacji pracy naukowej jest konieczne, aby szybciej wprowadzać własne rozwiązania. Tam uświadomiłem sobie, że w moim zasięgu jest zorganizowanie lepszej jakości zespołu naukowego w ojczyźnie. Po powrocie do Polski rozpocząłem mozolną drogę urzeczywistnienia marzeń. Stąd motywacja do utworzenia laboratorium epitaksji MOCVD dla tellurku kadmowo-rtęciowego i epitaksji MBE dla supersieci II-go typu związków III-V.

Przez pierwszą dekadę pracy (lata 70.), publikowanie prac w zachodnich czasopismach było zabronione w WAT. Ten zakaz zmiękczono pod koniec lat 70., ale wymagało to zgody wiceministra Obrony Narodowej. Pisałem oficjalne prośby o pozwolenie w tej sprawie. W konsekwencji efekty mojej pracy naukowej z dekady lat 70. praktycznie nie są znane w globalnej literaturze. Na dodatek, część tych prac publikowanych w Biuletynie WAT plagiatowano po rosyjsku w czasopismach Związku Radzieckiego (Nieorganiczeskije Materiały).

Obecnie moja aktywność koncentruje się na nowej generacji materiałów (tzw. low dimmensional solids, głównie dwuwymiarowe materiały − pochodne grafenu), których właściwości uwarunkowane są kwantowymi efektami rozmiarowymi. To kolejny etap tej samej drogi – poszukiwania nowych zjawisk i możliwości dla sensorów.

Nie da się uciec od tego, że są to technologie o charakterze dual use.

To dla mnie nic nowego – tak było od początku. Zawsze uważałem, że ważnym efektem badań nauk technicznych powinny być produkty innowacyjne, bo tylko w ten sposób można podnieść poziom zaawansowania technologicznego w wielu obszarach gospodarki i znaleźć swoje miejsce w globalnym świecie. W historii wiele spektakularnych wynalazków adresowanych było do zastosowań specjalnych (militarnych), a później powszechnie były adaptowane do zastosowań cywilnych.

Jak pan ocenia rozwój nauk technicznych w Polsce z perspektywy ponad półwieku pracy?

Przemysł i nauka „potrzebują” nieustannego dopływu nowej wiedzy, ale w innych celach. Przemysł w celu unowocześnienia produkcji i zwiększenia zysków, a zespoły naukowe uczelni dla podnoszenia poziomu kształcenia studentów i własnego awansu naukowego. Naukowcy w laboratoriach uczelnianych tworzą co najwyżej pojedyncze „klocki Lego”, które nie mają wartości komercyjnej. Nie wystarczy genialny produkt, trzeba też spełnić inne kryteria, np. mieć sieć sprzedaży na świecie. Dziś jest łatwiej coś wyprodukować, niż sprzedać. Dlatego, przyjmując „innowacyjność” jako „zamianę wiedzy na pieniądze” (to definicja Guntera Verheugena – byłego komisarza UE ds. rozwoju przemysłu), cała infrastruktura innowacyjna powinna być przenoszona poza uczelnie – do środowisk, które lepiej znają rynek, wiedzą, czego potrzebują klienci i mają głęboką wiedzę o organizacji i zarządzaniu. Widziałem to wyraźnie w USA. Laboratoria uczelniane często wizytowali przedstawiciele start-upów, szukający nowych pomysłów. Przepływ między nauką a biznesem był tam czymś naturalnym. W Polsce pod tym względem mamy dużo do zrobienia. Trzeba też pamiętać o trudnym przejściu od efektu laboratoryjnego do produktu rynkowego. To proces długi, wymagający cierpliwości i mozolnej pracy, rzadko spektakularny.

Na koniec – jakie zastosowanie technologii podczerwieni uważa Pan za najciekawsze poza wojskowymi?

Wiele z nich już jest obecnych w naszym życiu, tylko nie zawsze to zauważamy. Systemy nocnego widzenia w samochodach, kamery termowizyjne, systemy alarmowe w domach – to wszystko opiera się na detekcji podczerwieni. Trzeba jednak pamiętać, że istnieją różne typy detektorów. Ja zajmuję się detektorami fotonowymi, w których kluczowe jest oddziaływanie fotonów z elektronami. W codziennych zastosowaniach dominują natomiast detektory termiczne (oddziaływanie fotonów z fononami) – prostsze, ale wolniejsze. Detektory termiczne rozpowszechnione są w powszechnym użytku (pracują w temperaturze pokojowej), a detektory fotonowe w zaawansowanych systemach specjalistycznych zwykle chłodzone kriogenicznie (systemy militarne, teleskopy astrofizyczne w kosmosie, etc.). 

• Nauki techniczne
• Polska Akademia Nauk