Grudziądzka 5, 87-100 Toruń
tel.: +48 56 611 3310
fax: +48 56 622 5397

7 najważniejszych osiągnięć naukowych

1) Konstrukcja optycznych zegarów atomowych

W Krajowym Laboratorium FAMO w Instytucie Fizyki UMK w Toruniu skonstruowano i uruchomiono unikatowy system dwóch optycznych zegarów wykorzystujących ultrazimne atomy strontu w sieci optycznej. Jest to wynik wieloletniego programu badań KL FAMO i zwieńczenie projektu „Budowa Polskiego Optycznego Zegara Atomowego (POZA)” koordynowanego przez grupę profesora Czesława Radzewicza z Uniwersytetu Warszawskiego a realizowanego wspólnie przez grupy profesorów Wojciecha Gawlika i Jerzego Zachorowskiego z Uniwersytetu Jagiellońskiego oraz badaczy z Instytutu Fizyki UMK.
Zegary te są obecnie najdokładniejszymi przyrządami pomiarowymi i wzorcami częstości w kraju. Urządzeniami tego typu i podobnej dokładności dysponują jedynie najbardziej rozwinięte kraje świata (4 ośrodki). Zegary działające w Toruniu umożliwiły najdokładniejszy na świecie bezpośredni pomiar częstotliwości przejścia zegarowego 1S03P0 w bozonowym izotopie 88Sr [P. Morzyński et al., Scientific Reports 5 (2015), 17495-17499]. Przedsięwzięcie to stało się początkiem spektroskopii ultrawysokiej rozdzielczości (rzędu 10-17) w Polsce. Zbudowane zegary optyczne zostały też wykorzystane w badaniach ciemnej materii oraz po raz pierwszy na świecie jako referencja częstotliwości dla radioteleskopu w Piwnicach podczas pomiarów w ramach sieci. Aktualnie realizowany jest projekt EMPIR 15SIB03 OC18 (Optical Clocks with 10-18 Uncertainty) — trzyletni międzynarodowy projekt, którego celem jest rozwój optycznych zegarów atomowych w Europie. Jego głównymi zadaniami są: osiągnięcie stabilności częstotliwości laserowej na poziomie 10-16 lub lepszym po 1 s, rozwój pułapek jonowych i na neutralne atomy wspierających czas interrogacji powyżej 1 s, osiągnięcie niepewności systematycznych w zegarach optycznych na poziomie 10-18, wypracowanie nowych metod interrogacji i zweryfikowanie jakości udoskonalonych zegarów optycznych poprzez bezpośrednie porównanie częstotliwości.


2) Opracowanie nowej metody poszukiwania ciemnej materii

Naukowcy z Instytutu Fizyki opracowali nowatorskie narzędzie badawcze dające realną szansę wykrycia ciemnej materii w postaci defektów topologicznych oraz przeprowadzili pierwszy tego typu eksperyment, dający ograniczenie na wielkość sprzężenia hipotetycznej ciemnej materii z polami modelu standardowego. Rozwijanie technik eksperymentalnych zorientowanych na wyjście poza model standardowy jest kluczowe dla rozwoju fizyki, ponieważ może pomóc w rozwiązaniu najbardziej fundamentalnych problemów współczesnej nauki, takich jak struktura ciemnej materii, zmienność stałych fizycznych czy unifikacja teorii grawitacji i modelu standardowego. Naukowcy przełamali kolejną barierę między ultraprecyzyjną metrologią optyczną a astronomią, otwierając tym samym drogę do obserwacji astronomicznych zupełnie nowego typu. Podejście to daje możliwość łatwego zsynchronizowania obecnie działających optycznych zegarów atomowych w różnych krajach, co umożliwi utworzenie globalnego obserwatorium nasłuchującego obecności defektów topologicznych ciemnej materii. Perspektywa ta spotyka się z ogromnym zainteresowaniem w skali międzynarodowej, a sam wynik został opublikowany [P. Wcisło et al., Nature Astronomy 1 (2016), 0009/1-6]. Należy podkreślić, że osiągnięcie to (począwszy od opracowania koncepcji poprzez budowę aparatury i przeprowadzenie pomiaru, aż po analizę i interpretację danych) zostało w całości uzyskane przez badaczy z Instytutu Fizyki. Niezwykłą rzadkością jest to, że w pełni polski wynik naukowy bez wsparcia badaczy z renomowanych zagranicznych ośrodków jest publikowany w prestiżowym czasopiśmie z grupy Nature.


3) Otrzymanie kondensatu Bosego-Einsteina

2 marca 2007 r. o godzinie 20:30 grupa fizyków z kilku polskich ośrodków pracująca w Krajowym Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej (KL FAMO) w Toruniu pod kierunkiem prof. Wojciecha Gawlika i dzięki determinacji dr. Michała Zawady otrzymała pierwszy w Polsce (i jak dotąd jedyny!) kondensat Bosego-Einsteina atomów rubidu-87.

Kondensat Bosego-Einsteina to bardzo nietypowy i trudny do wytworzenia stan skupienia materii, niebędący ani ciałem stałym, ani cieczą, ani gazem i nawet plazmą. Ten zadziwiający stan materii przewidziany został już w 1924 r., ale na eksperymentalną realizację czekał ponad 70 lat. Żeby stan ten wytworzyć, materię (np. pary rubidu) trzeba oziębić do niewyobrażalnie niskiej temperatury poniżej 100 nano-Kelwinów (nK), tj. 20 milionów razy niższej niż temperatura otchłani Kosmosu, która wynosi zaledwie 2,7 K (temperatura pokojowa to ok. 300 K). Oziębienie atomów w gazie realizuje się przez ich spowolnienie. Zwykłe atomy i cząsteczki otaczającego nas powietrza mkną z olbrzymimi prędkościami — w ciągu sekundy przemierzają setki metrów, zaś spowolnione w kondensacie atomy przemieszczają się w tym czasie zaledwie o milimetr. Co więcej, kwantowa natura rzeczywistości powoduje, że w tak niskich temperaturach mówienie o atomach w gazie nie ma sensu, gdyż nie można ich w tym gazie “namierzyć”. I to nie dlatego, że nie umiemy tego zrobić, po prostu w tak niskich temperaturach nie ma już oddzielnych atomów, jest tylko jeden superatom – kondensat atomowy i to całkiem spory, bo wielkości 0.2 milimetra.

Zadziwiający jest także sposób chłodzenia gazu poprzez oświetlanie go w specjalny sposób światłem z kilku laserów. Sposób zupełnie nieintuicyjny, bo przecież światło na ogół nas rozgrzewa, czego każdy doświadcza, opalając się w promieniach słońca.

Zbudowanie aparatury i doprowadzenie jej do stanu, w którym możliwe jest wytwarzanie i badanie kondensatu Bosego-Einsteina wyznaczyło początek pewnej epoki. Epoki, w której możliwe jest prowadzenie w Polsce badań doświadczalnych na najwyższym światowym poziomie w niezwykle żywo rozwijającej się dziedzinie fizyki ultrazimnej materii. Stało się to możliwe dzięki współpracy całego polskiego środowiska fizyków — specjalistów z dziedziny fizyki atomowej, molekularnej i optycznej i przy wsparciu ówczesnego Komitetu Badań Naukowych. Stworzone w 2001 r. KL FAMO, którego pierwszym dyrektorem został profesor Stanisław Chwirot, jest ogólnopolską międzyuczelnianą jednostką badawczą, mieszczącą się w Toruniu na WFAiIS w Instytucie Fizyki, utworzoną w celu umożliwienia prowadzenia w Polsce doświadczalnych badań wymagających potencjału większego niż posiadany przez pojedyncze jednostki naukowe. Zbudowanie KL FAMO otworzyło także drogę do badań z zakresu kwantowej kryptografii i kwantowego przetwarzania informacji. Doświadczenia i technologie wyniesione z budowy aparatury kondensatu Bosego-Einsteina pozwoliły w późniejszych latach na zbudowanie dwóch optycznych zegarów atomowych, układu wytwarzającego ultrazimne molekuły HgRb, a nawet na kosmologiczne eksperymenty poszukujące nowych form ciemnej materii.


4) Opracowanie i komercjalizacja metody SOCT

SOCT jest spektralną tomografią optyczną, obecnie najczęściej używaną do wykonywania prześwietleń oka i pokazywania jego budowy wewnętrznej. Sama idea została opisana w 1995 r., a już 4 lata później toruńscy fizycy jako pierwsi na świecie skonstruowali odpowiednie urządzenie. Przełomowym był rok 2002, w którym pokazano obrazy tkanek oka zdrowego ochotnika. SOCT okazała się metodą bardziej czułą niż poprzednie odmiany tomografii optycznej, a otrzymywane obrazy były lepszej jakości. Urządzenie było udoskonalane, aż w 2004 r. fizycy z WFAiIS zbudowali prototyp kliniczny, który stał się wzorcem pierwszego na świecie komercyjnego tomografu SOCT. W 2006 r. firma Optopol wyprodukowała pierwszy na świecie szybki tomograf SOCT Copernicus, a rok później zdobyła aż 20% światowego rynku. Według Ministerstwa Gospodarki spektralny tomograf OCT jest jednym z trzech, obok grafenu i fotodetektorów podczerwieni, „polskich produktów fotonicznych, które osiągnęły poziom światowy i sukces komercyjny na rynku globalnym”.


5) Badania światowej klasy dzieł malarstwa za pomocą koherencyjnej tomografii optycznej

W latach 2009-2014 grupa naukowców z Instytutu Fizyki i Wydziału Sztuk Pięknych UMK, działając w konsorcjum 21 partnerów projektu CHARISMA w ramach 7. PR UE, opracowała specjalizowany, przewoźny koherencyjny tomograf optyczny (OCT) o bardzo wysokiej rozdzielczości przeznaczony do nieinwazyjnego badania obiektów zabytkowych. Badania takie odbywają się zawsze na zaproszenie właściciela obiektu i przyczyniają się do zrozumienia struktury dzieła sztuki i oceny stanu jego zachowania. Wiedza taka jest niezbędna między innymi dla prawidłowego zaplanowania zabiegów konserwatorskich. Bez tej wiedzy przeprowadzenie takich zabiegów byłoby obarczone dużym ryzykiem uszkodzenia obrazu, więc są one nieodzowne w przypadku najbardziej wartościowych dzieł. Należy podkreślić, że kierowana przez prof. Piotra Targowskiego grupa z UMK (z Instytutu Fizyki oraz z Instytutu Zabytkoznawstwa i Konserwatorstwa) jako jedna z niewielu grup na świecie ma dostęp do najbardziej wartościowych i znanych dzieł sztuki. Między innymi, dzięki współpracy z Opficio delle Pietre Dure (państwową instytucją konserwatorską z Florencji) przebadano monumentalne dzieło Leonarda da Vinci: „Pokłon Trzech Króli” z kolekcji muzeum Uffizi we Florencji oraz obraz z jego warsztatu „Madonna z wrzecionem” (The Lansdowne Madonna) z kolekcji prywatnej. W 2013 r. na zaproszenie Królewskiego Instytutu dla Dziedzictwa Kulturowego (IRPA/KIK) przebadano panele z „Ołtarza Baranka Mistycznego” w Gandawie (Belgia) autorstwa braci van Eyck. W 2014 r. dla Opficio i Muzeum w Urbino badano obraz „La Muta – Portret młodej kobiety” Raffaella Santi. W 2016 r. na zaproszenie Państwowej Służby Dziedzictwa Kulturowego (RCE) w Holandii przebadano obraz „Scena historyczna 1626” Rembrandta Harmenszoon van Rijn z kolekcji Rijksmuseum w Amsterdamie oraz na zaproszenie Muzeum van Gogha w Amsterdamie – tamtejszą wersję „Słoneczników”. Ta ostatnia sesja badawcza jest fragmentem szerokiego programu badań tego obrazu, prowadzonych w ramach projektu IPERION CH, w które oprócz UMK zaangażowany jest też Uniwersytet w Antwerpii (Ma-XRF), Uniwersytet w Perugii (FTIR), Uniwersytet w Amsterdamie i RCE. Spośród dzieł w polskich kolekcjach niewątpliwie najcenniejszymi przebadanymi obiektami były „Sąd ostateczny” Hansa Memlinga z kolekcji Muzeum Narodowego w Gdańsku i „Pasja toruńska” z kościoła pw. Św. Jakuba w Toruniu.
Tomografia OCT, pioniersko rozwijana w IF UMK przede wszystkim dla celów diagnostyki medycznej, pozwala w przypadku badań obrazów sztalugowych na ocenę stanu, grubości i liczby warstw werniksu, analizę struktury laserunków i szczegółową identyfikację zasięgu ingerencji konserwatorskich. Pozwala również precyzyjnie ocenić skuteczność i bezpieczeństwo planowanych zabiegów konserwatorskich takich jak usuwanie niepożądanych warstw werniksów i przemalowań. Obok obrazów OCT jest również stosowane między innymi do badania zabytkowego szkła, zabytków z bursztynu, warstwy glazury na ceramice oraz analizy innych przejrzystych powłok jak politury, lakiery, laka.
Prof. Targowski jest przewodniczącym Rady Polskiego Konsorcjum dla Badań nad Dziedzictwem Kulturowym.


6) Odkrycie pozasłonecznych układów planetarnych

Astronomowie prof. Krzysztof Goździewski, prof. Andrzej Niedzielski, dr Monika Adamów, dr Gracjan Maciejewski, dr Cezary Migaszewski i dr Grzegorz Nowak odkryli kilkanaście nowych pozasłonecznych układów planetarnych, przeprowadzili analizę statystyczną i stworzyli modele dynamiczne złożonych układów wieloplanetarnych. W rezultacie uzyskano parametry fizyczne i chemiczne próbki ok. tysiąca gwiazd, które posiadają lub mogą posiadać takie układy. Wykorzystano najbardziej zaawansowane technologicznie instrumenty: Hobby Eberly Telescope (HET) w Teksasie i HARPS-N oraz sieci mniejszych teleskopów do chronometrażu zaćmień, a także dane archiwalne, w tym uzyskane w przeglądach satelitarnych. Wyniki opublikowano w 40 artykułach w najlepszych czasopismach (Nature, Astronomy and Astrophysics, Astronomical Journal, Astrophysical Journal, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society).


7) Odkrycie nowych periodycznych źródeł maserowych metanolu i pary wodnej w obszarach powstawania gwiazd

Grupa radioastronomów (prof. Marian Szymczak, dr hab. Anna Bartkiewicz, dr Marcin Gawroński, dr Paweł Wolak, mgr Mateusz Olech) monitorując 32 m anteną obszary narodzin masywnych gwiazd w Galaktyce jako pierwsza na świecie odkryła przypadek naprzemiennej zmienności emisji maserowej metanolu oraz pary wodnej. Maser metanolu pojawia się i zanika regularnie co 34.4 dni. Największym zaskoczeniem był fakt, iż w fazie zaniku masera metanolu pojawia się emisja masera wody, która dotychczas nie wykazywała okresowej zmienności. Niezwykła regularność pojawiania się emisji wskazuje na układ podwójny z dyskiem, w którym tempo akrecji materii zależy od fazy orbitalnej. To unikatowe odkrycie jest wynikiem jedynego na świecie programu codziennego monitorowania maserów kosmicznych. Powyższy wynik opublikowano w pracy M. Szymczak et al., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 459 (2016), L56-L60. Monitoring został opisany w publikacji: M. Szymczak et al., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 474 (2018), 219-253.