.jpg)
Academia Română a fost creată în 1866 pentru a cristaliza cele mai înalte valori intelectuale din provinciile românești într-o societate erudită menită să consolideze identitatea națională pe baza a patru componente esențiale: limbă și literatură, istorie, etnografie și cultură. La...
Laserul de la INCDTIM Cluj-Napoca
În Departamentul de Fizică Moleculară și Biomoleculară al Institutului Național de Cercetare-Dezvoltare Tehnologii Izotopice și Moleculare (INCDTIM) Cluj-Napoca este operațional un sistem laser care emite pulsuri ultrascurte, de durata femtosecundelor. Sistemul permite obținerea de pulsuri de la 35 la 180 fs, cu lungimi de undă de la 200 la 2500 nm, și include două montaje de spectroscopie rezolvată în timp și un sistem de micro/nano-fabricație. Cum a ajuns acest laser la Cluj și cum s-au născut noi direcții de cercetare în INCDTIM ne povestește liderul grupului de cercetare, dr. Valer Toșa.
„La început a fost… modelul”
Cum a început povestea?
Când am venit în institut în 1982 am găsit un om extraordinar, pe Dr. Ioan Deac, care construise cu mijloace modeste un laser pulsat performant cu CO2, care emitea pulsuri de 100 de nanosecunde și pe care a studiat separarea izotopilor carbonului. Era o temă de interes în acea vreme, dat fiind faptul că se spera extinderea metodei la alți izotopi, mai grei și mai radioactivi (mă refer la uraniu, evident). Pe lângă măsurători experimentale a fost nevoie și de o modelare matematică/numerică. E aproape un truism, dar țin să-l spun: rolul modelelor este de a contribui la explicarea rezultatelor măsurate, de a releva fizica din spatele lor. O altă menire este aceea de a face experimente virtuale și eventual de a propune noi experimente. Evident, este mult mai ieftin să faci o serie de experimente „in silica”, adică pe calculator, decât încercări experimentale. Construind adecvat modele numerice am reușit să explicăm unele rezultate obținute de noi și de alții și să le publicăm, să devenim cât de cât cunoscuți în domeniu. Trec peste dificultățile cronice de dotare, de informare, de comunicare cu exteriorul, de editare a lucrărilor, etc. ale acelor ani, pentru că este o poveste care nu încape în aceste pagini. Printre puținele contacte care ne erau permise era și acela cu International Center for Theoretical Physics (ICTP) Trieste, la care am ajuns în iarna anului 1987, la o școala de fizică atomică și moleculară, apoi am fost primul român căruia i s-a acordat de către ICTP o bursă de un an la Universitatea Napoli, pentru a studia fenomene fundamentale la relaxarea vibrațională a moleculelor poliatomice excitate cu pulsuri laser. Cu greu am fost lăsat să plec, toți cei cu drept de semnătură se fereau, știau că sunt mari șanse să plec și să nu mă mai întorc.
Și totuși v-ați întors...
În glumă spun că m-am înapoiat pentru că, o vreme, prietenii/colegii mă salutau cu „Servus măi înapoiatule!” Da, în luna mai 1989, când era climaxul vieții grele în România, m-am întors și am continuat să lucrez la INCDTIM. Așa că pot și eu să spun că sunt printre cei întorși în țară. Nu mă întrebați de ce m-am întors, vă spun că nu era ușor de decis ce să faci, dar în cazul meu am constatat că nu pot trăi multă vreme „afară”, fie singur, fie cu familia. Așa că au urmat, după 1990, diverse stagii de lucru pe tematica separării izotopilor cu laser, în Italia (Universitatea Napoli), în Japonia (RIKEN), și în Spania (CSIC Madrid). 
Tot cu pulsuri de nanosecunde?
Da, numai că lucrurile evoluau rapid, pulsurile laser disponibile erau tot mai scurte, de la nanosecunde (10-9 s) s-a ajuns la picosecunde (10-12 s) și apoi la femtosecunde (10-15 s). Și cu asta fenomenele de investigat s-au diversificat enorm. La un moment dat, prin 1997, tot la Universitatea Napoli, am înțeles că dezvoltarea tehnologiei pentru a genera pulsuri laser ultrascurte (durată de femtosecunde) și în același timp foarte intense (~1014 W/cm2), deschide un domeniu nou de cercetare în care merită investit efort și timp. Astfel am creat primul model numeric de propagare a acestor pulsuri laser într-un gaz ionizabil și am dezvoltat un model pentru procesul de generare a armonicelor înalte cu aceste pulsuri. S-a dovedit a fi o linie de cercetare extrem de prolifică și utilă experimentatorilor. Am publicat mult și bine, am câștigat proiecte în competiții naționale și europene, am început să fim căutați de cele mai bune grupuri de experimentatori care lucrau în domeniul generării de armonice înalte, adică de lumină coerentă în domeniul de UV emisă în pulsuri de attosecunde. Este o direcție și azi viabilă și este descrisă mai pe larg de colega mea Kovacs Katalin. Intrând încet-încet în acest domeniu am vazut și ce alte aplicații au laserii cu pulsuri ultrascurte și am ajuns să ne dorim și noi o asemenea minune în INCDTIM.
„Fiat lux!”
Și atunci cum ați ajuns să aveți laserul de la Cluj?
Șansa cea mare a venit în 2008, când Departamentul de Fizică Moleculară și Biomoleculară a câștigat un proiect de infrastructură de tip POS-CCE, prin care s-a achiziționat și s-a pus în funcțiune un laborator complex care, nu numai că furnizează pulsuri de femtosecunde la lungimi de undă variabile, dar și explorează, prin spectroscopie rezolvată în timp, dinamica moleculară în sisteme complexe. Mi-am dat seama că această direcție de cercetare este utilă mai multor grupuri din INCDTIM și astfel am intrat și noi într-un domeniu nou și fascinant. Aplicațiile spectroscopiei în femtosecunde se întind de la investigarea dinamicii în sisteme moleculare simple, până la proteine și ADN, la explorarea energiei și vitezei la care au loc modificările chimice într-o reacție în timp real, sau la investigarea procesului de fotosinteză în sisteme biomoleculare. Detalii pentru cei interesați urmează ceva mai jos.
„All models are wrong, but some are usefull”(George Box)
La ce ajută modelările în domeniul dinamicii moleculare?
Aici e cea mai mare nevoie de ele, pentru că fenomenele din spatele datelor experimentale sunt extrem de complexe. Detaliile se obțin deci prin dezvoltarea și aplicarea unor modele și metode numerice ab initio, care fie că țintesc sisteme mai simple, cum ar fi descrierea mișcării electronului în jurul trunchiului de atom/moleculă, fie sisteme moleculare mai complexe pentru investigarea migrației de sarcină. De menționat faptul că în ambele cazuri aceste simulări sunt realizate prin implementarea metodelor care necesită capacități computaționale considerabile.
În cadrul grupului nostru abordăm în paralel ambele direcții. Cele două metode teoretice au la bază rezolvarea ecuației lui Schrödinger dependente de timp (TDSE), aplicată sistemelor simple, cum ar fi atomul sau molecula de hidrogen, unde mișcarea electronului este descrisă la nivelul funcţiei de undă, pentru a include toate efectele cuantice. Prin metoda pe care am implementat-o calculăm rate de ionizare pentru atomi și molecule diatomice considerate cu un singur electron activ, investigăm dinamica electronilor eliberați de câmpul extern și putem calcula spectrele electronilor ejectați, care conțin implicit și aceste efecte de interferență.
În cazul sistemelor moleculare mai complexe utilizăm un model special numit teoria densității funcționale dependentă de timp real (RT-TDDFT). Prin urmărirea variaţiei densităţii de electroni indusă de radiaţia laser avem posibilitatea să stabilim modul în care diferiţi parametri ai câmpului laser pot influenţa procesele fizico-chimice în molecule. Aceste informaţii dau un control larg asupra unor fenomene fizico-chimice în moleculă, cum ar fi: reacţii chimice cu produşi controlați de reacţie, rupere de legătură chimică prin disociere controlată, inducere de transfer de sarcină pentru conversie de energie, etc.
La ce se mai folosește laserul?
Pulsurile de femtosecunde produc efecte pur optice și asta este de dorit în multe aplicatii, pentru că pulsurile mai lungi au și efect de reșou, pe lângă efectul pur cuantic. Avem astfel cereri de iradiere ale unor probe de ADN, pentru a vedea modificările induse de lumina UV, apoi a unor probe biologice venite din partea unor grupuri de la UMF (stomatologie şi dermatologie) și USAMV Cluj-Napoca. La noi o direcție importantă este micro și nano-fabricația unor structuri de un imediat interes practic, despre care puteţi afla detalii aici.
Gânduri de viitor?
Gânduri avem pentru că asta ne este meseria, planurile în schimb sunt mai greu de făcut pentru că depindem și de alții cu finanțarea. Vrem să dezvoltăm domeniul de cercetare a fenomenelor ultrarapide și să promovăm folosirea pulsurilor ultrascurte în tehnologii folositoare societății. O spun des, o repet și aici deși va părea o glumă, dar noi muncim din dragoste, nu pentru bani!
Modelarea propagării pulsurilor de femtosecunde și a generării pulsurilor de attosecunde
Generarea armonicilor de ordin înalt este descrisă cel mai simplu astfel: la intensitate mare un electron este extras prin tunelare din atom, este îndepărtat și apoi readus de oscilațiile câmpului laser la atomul părinte. La recombinare toată energia cinetică acumulată în această excursie este transformată într-un singur foton de energie mare. Ceea ce însă este o provocare și mai mare este să se descrie cât mai realist procesul macroscopic de generare în condiții experimentale date. Forța majoră a modelului construit și folosit de noi constă în această capacitate de a trata toată problema de generare de armonice în condiții reale de experiment. Dovadă a succesului modelului sunt colaborările intense cu grupuri de cercetare renumite în domeniu: ELI-ALPS și ELI-NP, KAIST și GIST Korea, MPQ Garching și Max Born Institute Berlin Germania, Politecnico di Milano și Universitatea Napoli Italia, Universitatea din Szeged și Wigner Research Centre Budapesta Ungaria, Lund University și Umea University Suedia, ICFO Barcelona, etc. Aceste grupuri au laboratoare de cercetare performante și își propun rezolvarea unor probleme și aplicații de o diversitate impresionantă. Ca să ilustrăm utilitatea și fiabilitatea modelului construit, dăm câteva exemple unde se folosește cu succes, toate aplicațiile fiind în strânsă legătură cu colaborările externe.
Tags: Cercetare, INCDTIM Cluj Napoca
Parerea ta conteaza: 
Asemanator
Tranziția verde, posibilă prin echilibrul între cercetarea academică și inginerească- IMNR, pe drumul creării unui grup de excelență în domeniul aliajelor cu entropie înaltă
- ICECHIM București – 20 de ani de istorie modernă
- IFA 2024: retrospectivă și perspectivă
- Cercetători - universitari: echivalare cu dus-întors
- Octavian Mădălin Bunoiu, decorat cu Ordinul Național „Serviciul Credincios”
Alte articole scrise de
