Narodowe Laboratorium Technologii Kwantowych




Pracownie i wyposażenie

Zespół NLTK

Założenia naukowe

Wyposażenie laboratoriów

Pliki

Promocja

Konferencje
n.jpg, 21 kB
UE.jpg, 17 kB
Założenia naukowe NLTK-UMK i powiązanie z prowadzonymi już badaniami

Instytut Fizyki

W ramach założonego programu badawczego utworzonych zostanie w IF UMK pięć pracowni badawczych, które umożliwią doposażenie istniejących w IF UMK laboratoriów i pozwolą na znaczne zdynamizowanie prowadzonych badań z zakresu optyki i fotoniki kwantowej, zaawansowanej spektroskopii atomowo-molekularnej oraz informatyki i inżynierii kwantowej.


  1. Pracownia optycznej inżynierii nanostruktur (dr hab. S. Maćkowski, Zakład Optoelektroniki). Zadaniem pracowni będzie doposażenie istniejących w Instytucie Fizyki UMK laboratorium badań optycznych pojedynczych nanostruktur i układów o rozmiarach rzędu kilkudziesięciu nanometrów: od półprzewodnikowych kropek kwantowych, poprzez układy hybrydowe półprzewodnik - polimer/barwnik organiczny, aż do kompleksów odpowiedzialnych za absorpcję światła słonecznego w organizmach fotosyntetycznych. Układy takie nie tylko doskonale nadają się do obserwacji podstawowych zjawisk fizycznych na poziomie kwantowym, ale także coraz częściej znajdują już różne zastosowanie praktyczne. Są realnymi kandydatami do budowy elementów urządzeń do kwantowego przetwarzania informacji. W istniejących i planowanych w IF i COK laboratoriach prowadzone będą badania spektroskopowe i mikroskopowe z wysoką rozdzielczością przestrzenną. Ważnym uzupełnieniem tych badań będzie możliwość prowadzenia eksperymentów czasoworozdzielczych w domenie pikosekundowej, charakterystycznej dla większości procesów transferu energii, oraz pomiarów optycznych w zewnętrznym polu magnetycznym. Planowana aparatura: Zestaw pomiarowy do spektroskopii rozdzielonej w czasie.

  2. Pracownia tomografii optycznej (prof. A. Kowalczyk, dr M. Wojtkowski - Zakład Biofizyki i Fizyki Medycznej). Tomografia optyczna z wykorzystaniem światła częściowo spójnego (ang. optical coherence tomography - OCT) jest bezinwazyjną i bezkontaktową metodą obrazowania obiektów, które w umiarkowanym stopniu absorbują i rozpraszają światło. Metody te z dużym sukcesem (nie tylko krajowym) rozwijane są w IF UMK. Kolejnym etapem rozwoju tomografii optycznej jest polepszenie rozdzielczości oraz szybkości obrazowania. Z tego względu istnieje potrzeba zastosowania najnowszych technologii zarówno do generacji jak i szybkiej detekcji promieniowania o szerokim widmie. Planowane badania obejmują również próby zastosowania metody mikroskopii CARS (Coherent Anti-Stokes Raman Scattering) jako metody alternatywnej do obrazowania tkanek na poziomie komórkowym. Planowana aparatura: Zestaw do wysokorozdzielczej, ultraszybkiej tomografii optycznej OCT.

  3. Pracownia szerokopasmowej spektroskopii wysokiej zdolności rozdzielczej (dr hab. R. Ciuryło, prof. dr hab. R Trawiński - Zakład Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej). W IF UMK prowadzone są przygotowania do uruchomienia laboratorium badań w dziedzinie czasowo-rozdzielczej spektroskopii optycznej z femtosekundową zdolnością rozdzielczą. Badania takie umożliwiają nie tylko pogłębienie naszej wiedzy o fundamentalnych procesach kwantowych (kwantowego przetwarzania informacji) ale pozwalają także na śledzenie czasie rzeczywistym ultraszybkich procesów fizycznych i chemicznych inicjowanych światłem. Ultrakrótkie impulsy światła oraz metody spektroskopii femtosekundowej znajdują szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach badań i technologii. Uzupełnieniem dla spektroskopii ultraszybkiej jest spektroskopia wysokiej zdolności rozdzielczej. Prze wiele dekad techniki te uważano za wzajemnie się wykluczające. W tej pracowni prowadzone będą prace nad jednoczesnym wykorzystaniem zalet spektroskopii ultraszybkiej i wysokiej zdolności rozdzielczej. Wykorzystanie femtosekundowego optycznego grzebienia częstotliwości (Optical Frequency Comb - OFC) pozwala połączyć obie te techniki pomiarowe. Daje to możliwość pomiarów szerokim zakresie widmowym z dużą rozdzielczością spektralną i czasową. OFC pozwala na rozwijanie nowych wariantów znanych już metod spektroskopii laserowej takich jak absorpcyjna spektroskopia laserowa czy ultraczuła (Cavity Ring-Down Spectroscopy - CRDS), które rozwijane są w naszym Instytucie. Metody te są kluczowym elementem determinującym nowoczesne zastosowania spektroskopii w diagnostyce i modelowaniu atmosfery, w superprecyzyjnych pomiarach temperatury, i ciśnienia oraz metrologii i zdalnej detekcji śladowych ilości substancji. Superdokładne dane spektroskopowe dotyczące częstotliwości przejść molekularnych, natężeń, kształtu linii i efektów ciśnieniowych są używane np. w satelitarnych systemach lidarowych. Metody te pozwalają na nowe precyzyjne badania stanów układów atomowych i molekularnych - co ma istotne znaczenie w rozwoju inżynierii stanów kwantowych. Planowana aparatura: Zestaw laboratoryjny do szeroko pasmowej spektroskopii wysokiej zdolności rozdzielczej.

  4. Pracownia inżynierii luminescencji (prof. A. Wojtowicz - Zakład Optoelektroniki). Optyczna inżynieria materiałowa odgrywa obecnie kluczową rolę w rozwoju praktycznie wszystkich gałęzi techniki. Określanie własności optycznych i termicznych materiałów stosowanych we współczesnej opto- i mikroelektronice jest niezmiernie ważne ze względu na wzrost gęstości energii cieplnej wydzielanej w stale miniaturyzowanych urządzeniach. Materiały luminescencyjne są powszechnie używane w medycynie i przemyśle (PET, defektoskopia, systemy kontroli).
    Materiały wykorzystywane w urządzeniach do generacji i detekcji światła stanowią fundament współczesnych systemów telekomunikacyjnych i technik litograficznych. IF UMK specjalizuje się w badaniach luminescencyjnych materiałów scyntylacyjnych i laserujących. Bardzo ważnym uzupełnieniem aparatury obecnie użytkowanej w IF UMK będzie utworzenie pracowni do precyzyjnych badań kinetyki promienistej i bezpromienistej relaksacji wysoko wzbudzonych stanów w materiałach luminescencyjnych aktywowanych jonami ziem rzadkich i metali przejściowych, badanych w Instytucie Fizyki UMK. Do badań tych będą służyć oba planowane układy; układ do pomiarów kinetyki (streak camera) i i układ do badań dwuwiązkowych rtg/VUV. Planowana aparatura: Układ do pomiarów kinetyki stanów wzbudzonych (streak camera). Układ do pomiarów dwuwiązkowych rtg/VUV (układ rtg i lampa VUV).

  5. Pracownia pozytonowej spektroskopii atomowej i defektoskopii pozytonowej (prof. G. Karwasz). Pozytony, w stosunku do tradycyjnych metod spektroskopii atomowej (jak rozpraszanie elektronów lub metody optyczne) umożliwiają unikalne badania procesów kwantowych: w odróżnieniu od fotonów nie podlegają regułom przejść optycznych, w odróżnieniu od elektronów - nie podlegają zakazowi Pauliego. Laboratorium umożliwi badania subtelnych, kwantowych procesów w spektroskopii atomowej takich jak wzbudzenia przyprogowe lub stany rezonansowe. Planowane są również kompletne w sensie kwantowo-mechanicznym doświadczalne badania zderzeń pozyton-atom i elektron-atom, które są najdoskonalszym narzędziem poznania tych procesów zderzeniowych i testowania ciągle niedoskonałych modeli teoretycznych. Istotną nowością prowadzonych badań będzie zastosowanie metod inżynierii kwantowej do optycznej kontroli wielkości i względnych faz amplitud rozpraszania. Defektoskopia pozytonowa to nieniszcząca metoda służąca do identyfikacji pojedynczych defektów atomowych o koncentracjach nawet poniżej 1 ppm w materiałach półprzewodnikowych, szkłach, polimerach itd., pozwalająca na detekcję i obrazowanie w głąb materiału z dokładnością dziesiątek nm. W IF UMK budowane jest laboratorium defektoskopii pozytonowej, w oparciu o poszerzenie dopplerowskiej linii anihilacyjnej 511 keV. Wykorzystane zostanie źródło radioaktywne pozytonów, układy pułapek, układy spowalniające pozytony oraz detektory germanowe. Dla precyzyjnego określenia rodzajów defektów punktowych celowe jest dodatkowe wyposażenie laboratorium o układy pomiaru czasu życia pozytonów, o rozdzielczości rzędu 150 ps. Niezbędne są specjalne detektory na bazie BaF2, ultra-szybkie układy wzmacniające oraz analizator wielokanałowy. Badania pozwolą na określenie nie tylko koncentracji defektu i jego typu, ale na analizę otoczenia chemicznego, jak nanoklastery tlenu w Si itp. Planowana aparatura: Układ do pomiarów czasów życia pozytonów w defektach strukturalnych, zestaw laserowy (wąskopasmowy laser tytan-szafir z zestawem podwajaczy częstości) do optycznej kontroli procesów rozpraszania.

  6. Dodatkowo planowany jest zakup zrobotyzowanej biblioteki taśmowej lub dyskowej do magazynowania danych eksperymentalnych i obliczeniowych (prof. dr hab. W. Nowak)


Krajowe Laboratorium Fizyki Atomowej Molekularnej i Optycznej (KL FAMO)

Rada Naukowa zdecydowała, że w najbliższych latach w Laboratorium kontynuowane będą badania dotyczące inżynierii stanów kwantowych - sterowania kwantowego i generacji stanów splątanych fotonów i atomów, badania małych zespołów jonów w pułapkach oraz detekcji i spektroskopii pojedynczych atomów i molekuł, optyczne badania atomów i molekuł w zakresie nK - mK, ze szczególnym naciskiem na badania kondensatów Bosego-Einsteina. Aktywny udział w planowanych badaniach biorą grupy z Warszawy (IFD UW, IFT UW, IF PAN, CFT PAN), Poznania (Katedra Fizyki PP), Krakowa (IF UJ), Gdańska (IF UG) i Torunia (IF UMK). W KL FAMO realizowany jest obecnie zakrojony na 3 lata duży projekt badawczy "Ultraprecyzyjne pomiary metodami optyki i fizyki atomowej". Projekt dotyczy metrologii kwantowej, a w szczególności stworzenia warunków do pracy nad zegarem optycznym, stanowiącym nową jakość w dziedzinie pomiarów częstości i czasu. Projekt planowany jest jako wspólne przedsięwzięcie badawcze grup z Warszawy, Krakowa, Torunia i Poznania.
Kontynuowane są, zatwierdzone wcześniej do realizacji, projekty dotyczące rozchodzenia impulsów świetlnych w ośrodkach o elektromagnetycznie kontrolowanej przezroczystości, badania spektroskopowe atomów chłodzonych do 100 µK, badania układów błonowych i ciekłokrystalicznych. Przygotowywany jest udział KL FAMO w projektach interdyscyplinarnych dotyczących zastosowań metod FAMO w biologii i medycynie: tomografia optyczne, fluorescencyjne metody wykrywania nowotworów i optyczne wzmacnianie rozdzielczości i czułości obrazowania narządów wewnętrznych metodami magnetycznego rezonansu magnetycznego.
Celem tworzenia w KL FAMO
- pracowni CRDS,
- pracowni inżynierii kwantowej,
- pracowni kondensatu Bosego-Einsteina,
- pracowni badań spektroskopowych,
i wyposażenie laboratorium w aparaturę naukowo-badawczą zakupioną w ramach projektu NLTK jest między innymi zapewnienie warunków infrastrukturalnych dla otwarcia planowanych nowych kierunków badań.