Pohled až do dění mezi atomy

Martin Kozák si v těchto měsících upravuje v budově Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy na pražském Karlově laboratoř. Má v ní nový elektronový mikroskop, s jehož pomocí se chce společně s kolegy zase více přiblížit k velkému snu elektronové mikroskopie: místo jednotlivých snímků mikrosvěta pořizovat rovnou „video“, tedy záznam časového průběhu, z něhož se dá dění v mikrosvětě včetně chování atomů pozorovat mnohem lépe než teď.

Nejlepší dnešní elektronové mikroskopy už dokážou zobrazit i jednotlivé atomy v látce, a dokonce umožňují zjistit, o atomy kterých prvků se přesně jedná. Díky tomu lze s jejich pomocí studovat mikroskopickou strukturu látek a zejména její vliv na chování daných materiálů v různých aplikacích.

Současné mikroskopy však neumožňují dívat se zároveň také na pohyby elektronů, které se díky své malé hmotnosti pohybují extrémně rychle. „Naším cílem je vyvinout nové metody elektronové mikroskopie, které dovolí nejen pozorování statických objektů, ale navíc také ,natáčení videa‘ pohybujících se elektronů, pokud jsou v dané látce nebo nanomateriálu poháněny světlem,“ popisuje doktor Kozák. „Současnou elektroniku založenou na křemíku již není možné dále zrychlovat, a tak je důležité hledat nové fyzikální principy umožňující přenášet, zpracovávat a ukládat informace na vyšších frekvencích, než jaké používají naše počítače či mobilní telefony. To je naší motivací k základnímu výzkumu jevů, které se odehrávají v nanostrukturách při jejich osvitu světelnými vlnami.“

Granty umožnily výzkum

Martin Kozák se pro fyziku nadchl již na gymnáziu v Českém Brodě. Na Matematicko- fyzikální fakultě v Praze pak při bakalářské práci „zakotvil“ ve skupině profesora Petra Malého z katedry chemické fyziky a optiky. „Tato skupina se věnovala zajímavým experimentům a panovala tam přátelská atmosféra, takže jsem nakonec zůstal u optiky a mikroskopů,“ vysvětluje.

Po doktorátu získaném v Praze strávil tři roky na univerzitě v německém Erlangenu. Byl úspěšný. V roce 2018 získal od Grantové agentury ČR financování juniorského a později mezinárodního projektu. Ten umožnil další spolupráci s kolegy z Erlangenu. Získané prostředky pomohly zejména k cestování mezi Českem a Německem, nezbytnému pro uskutečňování společných experimentů.

V roce 2022 si pak vybojoval i prestižní Starting grant od Evropské výzkumné rady (ERC). To mu umožnilo rozvíjet svůj výzkum, vytvořit si vědeckou skupinu, v níž s ním spolupracuje pět doktorských studentů, a také pořídit vybavení do nové laboratoře.

Fotony spolupracují s elektrony

Elektronový mikroskop, který si do laboratoře pořídil, pochází z Brna, jež je považováno za světovou metropoli elektronové mikroskopie. Pracuje tak, že zkoumaný vzorek vyvede z rovnovážného stavu excitační optický pulz fotonů z laseru. Následně pak vyslaný pulz elektronů „vyfotografuje“ stav vzorku a změny jeho optických vlastností. Čím kratší je čas mezi pořizováním takovýchto snímků, tím více se vědci blíží k vytvoření „videa“, tedy k zachycení průběhu dějů odehrávajících se na těžko představitelných časových škálách měřených ve femtosekundách (femtosekunda je 10^–15 sekundy čili jedna miliardtina z jedné miliontiny sekundy).

Laboratoř pro elektronový mikroskop s laserem.

Snímek Univerzita Karlova, Hynek Glos

Vědci v roli techniků

V těchto dnech opouštějí Martin Kozák a jeho kolegové zčásti roli vědců a proměňují se v techniky, kteří upravují elektronový mikroskop tak, aby nejlépe vyhovoval plánovaným experimentům. „Někdy může trvat i měsíce, než experimenty naplánujeme, připravíme a vše nastavíme, obzvlášť pokud se jedná o takto unikátní sestavu, která bude v České republice první tohoto druhu,“ říká doktor Kozák. „A také než do detailů promyslíme plánovaný experiment tak, aby pro nás byly výsledky co nejužitečnější.“

RNDr. Martin Kozák, Ph.D.

Vystudoval Matematicko-fyzikální fakultu Univerzity Karlovy v Praze, kde také obhájil doktorát a nyní na ní přednáší. Při postdoktorské stáži působil na univerzitě v německém Erlangenu, s níž nadále spolupracuje.