Prof. Dominik Dorosz o tym, jak światło zmienia naukę, technologię i nas samych

Światło, które od wieków motywuje technologów, obecnie  przenosi informacje, wspiera lekarzy i pozwala na interakcje w ludzkim mózgu. Prof. Dominik Dorosz, nowy członek korespondent Polskiej Akademii Nauk, od ponad 20 lat bada, jak kontrolować fotony i tworzyć materiały, które potrafią nimi sterować 

–  Moim obszarem od początku jest fotonika, ukierunkowana na technologię i metrologię materiałów optycznych, materiałów światłowodowych – podkreśla w rozmowie z Academią, dodając: – Żyjemy w wieku fotoniki. Mamy internet światłowodowy, urządzenia optoelektroniczne np. wyświetlacze, mówimy o komputerach optycznych, internecie kwantowym, splątanych fotonach i nowych zastosowaniach, które są przed nami.

Fotonika, czyli technologia, w której zamiast prądu prowadzi się i przetwarza światło, wymaga materiałów o ekstremalnie precyzyjnych właściwościach. Przykładowo szkło światłowodowe musi być czystsze niż inne  materiały znany z klasycznej chemii. Światłowody telekomunikacyjne nie powstają bowiem z piasku, czy nawet surowców o czystości 5N (99,999%), lecz z substratów o ultrawysokiej czystości, w procesie znanym jako chemical vapor deposition.

– Zatem  technologia wytwarzania światłowodów bazuje na  ultraczystych chlorkach krzemu i nie  ma to nic wspólnego z hutą szkła – wyjaśnia profesor. Dzisiejsze światłowody tłumią światło na poziomie poniżej  0,2 dB na kilometr. To jest sto razy mniej niż granica, która przed laty wydawała się nie do przekroczenia, postulowana przez profesora Charles Kuen Kao (Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki, 2009).

W swoich badaniach prof. Dorosz łączy takie technologie z projektowaniem nowych materiałów, które mogą pracować poza klasycznym oknem telekomunikacyjnym 1550 nanometrów. To ważne, bo kolejne generacje sieci, od rozwijanej dziś 6G po przyszłe systemy kwantowe, wymagają szerszego pasma, nowych długości fali i nowych typów światłowodów transmisyjnych i  laserowych.

Jednym z filarów tych badań są lantanowce – pierwiastki ziem rzadkich, których domieszkowanie sprawia, że szkło staje się materiałem aktywnym, zdolnym do wzmacniania światła i generacji promieniowania laserowego. Ten obszar rozwijany jest w Politechnice Białostockiej przez prof. Marcina Kochanowicza – wychowanka prof. D. Dorosza.

Kolejny krok to zejście ze skalą z wymiaru  włókna do falowodu. Fotonika zintegrowana umożliwia  prowadzenie  światła nie w szklanych włóknach, lecz w układach mikroskopijnych falowodów “wyrysowanych” w  szkle, zintegrowanych z półprzewodnikami pełniącymi funkcję nadajników i detektorów – Możemy dzięki temu tworzyć inteligentne elementy komunikacyjne oraz czujniki, które będą pomagały w zbieraniu i analizie np. danych medycznych – mówi prof. Dorosz.

Już dziś rozwijane są systemy, w których dane z czujników trafiają do lekarzy na drugim końcu świata, a ci w czasie rzeczywistym dobierają terapię. Do tego potrzebne są jednak falowody domieszkowane lantanowcami o bardzo niskich stratach i wysokiej stabilności – to obszar, nad którym profesor pracuje obecnie w Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.

Jednym z ciekawszych wyzwań fotoniki materiałowej jest połączenie zalet szkła i kryształu. Szkło daje możliwość produkcji długich włókien, kryształ – bardzo precyzyjne właściwości luminescencyjne. Połączenie obu jest jednak trudne, bo podczas wciągania światłowodu, jak się okazało, kryształy mogą się rozpuszczać. Dlatego zespół prof. Dorosza zaczął szukać bardziej precyzyjnych metod i sięgnął po lasery femtosekundowe, które pozwalają inicjować krystalizację punktowo, a nie jak do tej pory w kontrolowanej temperaturze. To podejście może prowadzić do nowych aktywnych kompozytów szkło-kryształ o bardzo niskich stratach optycznych.

Trzecia oś badań Dorosza prowadzi w kierunku biomedycyny. To optogenetyka, w której wzrost aktywności komórek nerwowych może być stymulowana przy wykorzystaniu światła widzialnego. –  Zajęliśmy się optogenetyką w zakresie  syntezy nowych nanocząstek emitujących w zakresie widzialnym, jeśli chodzi o choroby neurodegeneracyjne, takie jak Parkinson czy Alzheimer – mówi. Chodzi o to, by bezpiecznym dla tkanek światłem podczerwonym wzbudzać wprowadzone do mózgu nanocząstki, które następnie konwertują  je w światło widzialne – dokładnie takie, na które reagują neurony.

Na razie te badania na komórkach myszy  prowadzone są we współpracy z Uniwersytetami w Ottawie i Stanford. Polski zespół odpowiada za syntezę i właściwości optyczne cząstek.

Droga do tej specjalizacji zaczęła się od domu rodzinnego profesora. Jego ojciec, prof. Jan Dorosz, jest jednym z pionierów technologii światłowodów w Polsce. Kontakty z profesorami Andrzejem Waksmundzkim, Leszkiem Stochem i Tadeuszem Kaczorkiem w kolejnych etapach kariery umocniły przekonanie, że fotonika jest nauką zespołową. – Jedna osoba niewiele może zrobić. Zespół to podstawa. Budowanie zespołu stało się moją obsesją – podkreśla.

Materiały, które wraz z zespołem bada, w najbliższych latach zdecydują nie tylko o szybkości internetu, lecz także o precyzji medycyny i o tym, jak będziemy integrować technologię z ciałem człowieka.

• Nauki ścisłe i nauki o Ziemi