Revista >> Ianuarie - Februarie 2019 [Nr. 211] >> Top Story

Laboratorul Electronica Cuantică a Solidului - Un angrenaj complet pentru cercetări şi aplicaţii cu potenţial

Alexandru Batali

14 Februarie 2019

Dr. Voicu Lupei, şef între anii 1972-2007 al Laboratorului Electronica Cuantică a Solidului (ECS) din Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Laserilor, Plasmei şi Radiaţiei (INFLPR) a devenit, pe 21 noiembrie 2018, membru titular al Academiei Române, în Secția de Ştiinţe Fizice. Momentul are o dublă semnificaţie: marchează, pe de o parte, recunoaşterea, la cel mai înalt nivel, a contribuţiei ştiinţifice a dr. Voicu Lupei şi, dintr-o altă perspectivă, deschide o etapă nouă în evoluţia Laboratorului ECS, prin predarea ştafetei generaţiei de cercetători crescuţi sub îndrumarea sa, ajunşi acum la maturitate profesională. Acestora le revine misiunea de a continua şcoala formată în domeniu, prin pregătirea tinerilor specialişti, dar şi provocarea de a dezvolta cercetările şi aplicaţiile din prezent, multe dintre acestea de nişă sau unice pe plan naţional.

Laboratorul ECS activează sub această denumire din 1996 şi continuă, din anul 1977, activitatea Laboratorului de Medii Active Laser şi Interacţia Radiaţiei cu Materia (MALIRM). Prima denumire a laboratorului a fost Laboratorul de Interacția Radiației cu Materia, acesta fiind înființat în anul 1972, în cadrul Institutului de Fizică Atomică, pe baza unui grup de cercetare specializat în studii de rezonanță electronică de spin şi spectroscopie optică pe ioni paramagnetici şi defecte de iradiere în cristale, grup coordonat de către prof. dr. Ioan Ursu. Laboratorul a fost condus de dr. Voicu Lupei timp de 35 de ani, din 1972 până în 2007. La consolidarea activității laboratorului au contribuit dr. Aurelia Lupei şi dr. Şerban Georgescu, cercetători care şi-au desăvârşit formarea sub îndrumarea dlui dr. Voicu Lupei. Dr. Traian Dascălu, în prezent directorul INFLPR, dr. Nicolaie Pavel, actualul şef al Laboratorului ECS, dr. Lucian-Marian Gheorghe, dr. Cristina-Petruța Gheorghe şi dr. Octavian Toma, sunt cercetători care continuă tradiţia în cercetare şi dezvoltare a laboratorului. Aceştia au avut posibilitatea de a se pregăti şi de a efectua doctorate sau stagii post-doctorat în străinătate, în Franţa, Germania, Japonia sau Mexic, rezultând astfel relaţii de colaborare cu grupuri de cercetare din Paris, Berlin şi Hamburg, sau Okazaki. Apropiindu-ne de prezent, în ultimii doi ani, cinci dintre cei opt tineri cercetători din Laboratorul ECS şi-au luat doctoratul sub îndrumarea noii generaţii de seniori (n. red: dr. Şerban Georgescu, dr. Traian Dascălu şi dr. Nicolaie Pavel sunt asociaţi la Şcoala Doctorală de Fizică a Universității din Bucureşti, conducând sau coordonând lucrări de doctorat), iar ceilalți juniori sunt doctoranzi, care se pregătesc pentru a dobândi statutul de doctori. Tinerii participă la cursuri de perfecţionare şi de instruire în țară sau în străinătate, la şcoli de vară sau la cursuri asociate unor conferinţe internaţionale, pentru a câştiga experienţă şi a acumula competențe în domenii utile pentru dezvoltarea lor profesională.
Asistăm, concomitent, la o maturizare şi o întinerire a colectivului Laboratorului ECS, pe fiecare dintre direcţiile de cercetare şi dezvoltare iniţiale, dar şi pe altele noi, de perspectivă. „Laboratorul MALIRM a fost încă de la începuturi bine articulat, gândit foarte practic, pe întreg ciclul de cercetare şi dezvoltare al unui produs. Se pleca de la creşterea de cristale laser si se continua cu investigarea proprietăţilor spectroscopice ale acestor materiale, favorabile pentru emisia laser; se prelucra mediul selectat şi se construiau, în final, laseri cu aplicaţii industriale (cele uzuale vizau aplicații de sudură, tăiere, găurire, iar cele mai de succes asigurau inscripționarea) şi medicale (ce permiteau efectuarea de operaţii de chirurgie oftalmică şi neurochirurgie)“, afirmă dr. Nicolaie Pavel.

Conceptul iniţial al laboratorului s-a păstrat şi în prezent, existând echipe specializate în creşterea de cristale laser sau obținerea de astfel de medii prin metode ceramice, în spectroscopie şi în experimente laser. Obiectivul principal al Laboratorului ECS este identificarea şi caracterizarea de noi materiale şi procese laser, precum şi optimizarea sistemelor tradiţionale. Scopul cercetărilor este de a îmbunătăţi şi extinde caracteristicile (domeniul spectral de emisie, eficienţa de emisie, creşterea puterii/energiei, controlul temporal etc.) diferitelor surse de fotoni, coerente (laseri) sau ne-coerente (fosfori sau convertori de radiaţie).

Expertiza şi unicitatea Laboratorului
Laboratorul ECS are capacitatea de a concepe şi studia materiale laser, dar şi expertiza necesară pentru a construi diferiți laseri, ce pot emite la noi lungimi de undă şi în diferite regimuri de funcţionare, sau de a obţine fosfori, cu aplicaţii în medicină, biologie, domeniul energiei (iluminat) etc. În cadrul acestui laborator există singurul grup din România dedicat creşterii cristalelor laser. De asemenea, este singurul laborator din ţară care poate dezvolta laseri cu corp solid cu emisie la 1 µm, eventual cu generare de lumină în verde, în albastru sau în roşu, cu emisie în regim de generare liberă sau în regim de comutare a factorului de calitate (Q-switch) în cazul laserilor cu putere de vârf ridicată. „Suntem primul laborator din ţară și unul dintre puținele laboratoare din lume care au făcut laseri miniaturali de tip ghiduri de undă, care, pompaţi cu diode laser, au putut fi realizați mult mai compacţi, dar şi performanţi“, subliniază şeful Laboratorului ECS.

Anumite nişe ştiinţifice, precum optica neliniară, sunt abordate de cercetătorii din cadrul Laboratorului ECS, care au obţinut noi cristale optic neliniare, folosind metode de creştere simple. Se pot converti şi obţine radiaţii laser la noi lungimi de undă, care pot determina aplicaţii diverse, în foarte multe domenii. Nu în ultimul rând, ionii trivalenţi de lantanide, care asigură medii active laser prin inserția lor în materiale gazdă de tip cristale sau ceramice, se studiază doar în acest laborator.
Există şi o suită de success stories care conturează activitatea acestui laborator de referinţă al INFLPR, cum este, de exemplu, proiectul de aprindere cu laser a combustibililor în motoarele de automobile. În anul 2013, un grup de cercetare din Japonia a raportat operarea unui automobil, Toyota, folosind doar bujii laser. A doua demonstrație de acest fel a fost realizată în anii 2015-2017, când grupul din Laboratorul ECS a operat, în colaborare cu Renault Technologie Roumanie, o maşină Dacia, utilizând bujii laser realizate în laborator. În plus, au fost evaluate unele avantaje ale aprinderii cu bujia laser: creșteri în putere de 2-3%, reducerea combustibilului consumat, stabilitate îmbunătăţită în funcţionare, sau reduceri ale unor emisii de noxe. „Pe baza rezultatelor bune înregistrate în cazul bujiei laser, colectivul nostru a fost primul din institut care a reuşit să câştige şi să conducă un proiect european. A fost un proiect de twinning (proiect 691688 LASIG-TWIN; 2016-2018), de întărire a relaţiilor şi de schimb de experienţă cu grupuri de cercetare renumite în Europa, precum Universitatea din Liverpool, UK, Centrul Naţional de Cercetare Ştiinţifică (CNRS) din Paris, Franța, Universitatea din Bayreuth şi Institutul Fraunhofer IOF din Jena, ambele din Germania; aceste instituții au experiență în studiul aprinderii cu laser în diferite tipuri de motoare. Avem în derulare şi un proiect intern, finanțat de UEFISCDI, în cadrul căruia am realizat un laser cu mai multe fascicule, în vederea aprinderii în mai multe puncte a amestecurilor combustibile. Este o direcţie de cercetare cu aplicații nu numai în industria auto, dar şi în aeronautică, spațiu sau transport naval. De exemplu, suntem în discuții cu o universitate şi o companie din Germania, interesate să dezvolte un sistem compact de aprindere cu laser pentru motoare cu gaz care generează energie electrică“, completează dr. Nicolaie Pavel.
Echipa Laboratorului ECS publică articole în reviste ce au un număr considerabil de citări. Astfel, majoritatea lucrărilor sunt publicate în jurnale cu factor de impact mai mare decât 2, precum Optics Express şi Optical Materials Express ale OSA - The Optical Society; Journal of Luminescence, Optical Materials, Journal of Alloys and Compounds sau Ceramics International, din grupul Elsevier; Crystal Growth & Design al American Chemical Society-ACS sau CrystEngComm al Royal Society of Chemistry. Dr. Voicu Lupei a publicat în Applied Physics Letters şi Optics Letters articole care au peste 100 de citări, iar dr. Nicolaie Pavel are articole în Optics Express, Laser Physics Letters și Laser Physics cu peste 70 de citări; sunt şi lucrări recente, publicate după 2010, care au deja zeci de citări.
Recunoaşterea internaţională vine şi în urma unor evenimente de referinţă organizate de echipa Laboratorului ECS. În anul 2017 a fost organizată a 5-a ediţie a Laser Ignition Conference, ce a beneficiat de prezenţa a 70 de participanți din 14 ţări; în 2017 şi 2018 au fost organizate şcolile de vară Laser Ignition Summer School, cu invitați din străinătate şi din țară, cu partenerii externi ai proiectului 691688 LASIG-TWIN. „Din 2 în 2 ani participăm la organizarea conferinței ROCAM - Romanian Conference on Advanced Materials, eveniment internaţional cu sute de participanţi, în cadrul căruia sunt chairman la mai multe sesiuni. Aprecierea grupului de creşteri de cristale şi a celui de spectroscopie pe plan internaţional rezultă şi din faptul că cercetători din străinătate, din ţări precum Franţa, Germania sau Ucraina, ne solicită sprijinul pentru a caracteriza materialele obținute de dânşii, având încredere în capabilităţile noastre“, subliniază dr. Lucian Gheorghe.

Platformă pentru aplicaţii diverse
În principal, efortul de cercetare al Laboratorului ECS rămâne orientat către studiul şi obţinerea de radiaţii laser la cât mai multe lungimi de undă, adică într-un spectru cât mai larg, ce pot determina aplicaţii diverse în industrie, medicină sau pentru alți utilizatori. Laserii cu lungimi de undă diferite, obţinute prin modificarea proprietăţilor cristalelor laser, crearea de ceramici transparente sau de fosfori, se adresează unor aplicaţii diferite, cu o gamă largă de utilizare şi valorificare.
„În medicină, în dermatologie mai precis, astfel de laseri pot asigura un tratament de suprafaţă al pielii (înlăturarea petelor sau a tatuajelor), dar şi de adâncime, în funcţie de intensitatea şi lungimea de undă a radiaţiei laser. De asemenea, laserii pot fi utilizaţi în stomatologie şi în oftalmologie“, ne spune dr. Cristina Gheorghe. „Alte aplicaţii pot facilita vizualizarea unor anumite tipuri de celule sau pot crea markeri neinvazivi pentru anumite entităţi biologice, eliminând astfel riscul deteriorării ţesuturilor, cum se întâmplă în cazul folosirii coloranţilor. Ulterior se pot localiza celulele bolnave şi se poate pune un diagnostic corect, sau se pot determina efectele folosirii unui anumit tip de tratament“, evidenţiază dr. Octavian Toma.
Laboratorul ECS are experiență în generarea şi utilizarea de radiaţie THz, un domeniu spectral situat între banda de microunde şi cea de infraroşu. Radiația THz poate fi folosită pentru studiul modurilor de rotație și vibrație ale materialelor, în special cele organice, pentru a înțelege structura și dinamica lor moleculară. Energia mică a fotonului din banda THz îi conferă acestuia o trăsătură importantă, aceea de radiație neionizantă sau noninvazivă. În consecință, undele THz pot fi utilizate în spectroscopie și imagistică medicală, fără riscuri asociate, aşa cum se întâmplă în cazul razelor X. De asemenea, imagistica THz permite diferențierea unui țesut sănătos față de un țesut tumoral, fără a fi necesară realizarea unei biopsii. „Într-un proiect derulat împreună cu Facultatea de Biologie din Bucureşti, cu ajutorul radiaţiei THz s-a studiat dinamica proteinelor aflate în diverse condiții de hidratare, concentrație și pH, pentru a cunoaște și înțelege felul în care acestea se comportă în mediul lor natural. Rezultatele experimentale au fost susținute de simulări de dinamică moleculară, cea mai importantă aplicație fiind validarea modelelor structurale ale proteinelor. Aceste cercetări ajută biologii în identificarea defectelor la nivel celular, defecte care pot reprezenta boli sau predispoziții pentru apariția lor. Experimentele au fost realizate cu un sistem de spectroscopie THz în domeniul timp pe care l-am construit în cadrul laboratorului și care urmează să fie utilizat pentru identificarea țesuturilor tumorale”, explică drd. Oana-Valeria Grigore. Spectroscopia THz poate fi utilizată pentru restaurarea şi conservarea obiectelor de patrimoniu, sau în domeniul securității aeroporturilor, unde este folosită pentru detectarea substanțelor și a obiectelor interzise.
Metodele avansate de obţinere de noi materiale laser pot fi brevetate şi apoi cumpărate de companii internaţionale producătoare de cristale laser. Dr. Lucian Gheorghe, conducătorul grupului de creşteri de cristale, lucrează la un proiect care are ca scop realizarea unui cristal optic neliniar nou, cu proprietăți superioare fața de cele ale cristalelor deja existente, obţinut printr-o metodă mult mai accesibilă. Acest cristal se doreşte să fie atât cristal laser, cât şi cristal optic neliniar. „Explorăm o nouă direcţie de cercetare, cea a cristalelor optic neliniare, fiind singurii din ţară care obținem şi studiem astfel de cristale“, nuanţează dr. Lucian Gheorghe. La rândul său, şeful Laboratorului ECS este responsabilul unui proiect desfăşurat la CETAL-INFLPR, realizat împreună cu IFIN-HH şi Universitatea din Bucureşti, ce are ca scop realizarea de fascicule elicoidale de energie ridicată, de interes în aplicaţiile nucleare de manipulare a materiei. Dr. Cristina Gheorghe a condus recent un proiect de tipul ‘tinere echipe’: „Am studiat cristale dezordonate, dopate cu ioni noi de pământuri rare, urmărind obţinerea de radiație laser la noi lungimi de undă în domeniul vizibil. Rezultatele obținute au condus la o colaborare cu un laborator din Germania, interesat să investigheze emisia laser a acestor materiale utilizând surse de pompaj cât mai puternice“.

Pe lângă crearea de noi modele experimentale sau funcţionale laser, de noi cristale laser sau cristale optic neliniare, cercetătorii din cadrul Laboratorului ECS au obținut ceramici laser transparente, ca materiale alternative pentru laserii existenţi, sau fosfori, pentru utilizarea în diverse aplicaţii. Fosforii realizați în cadrul laboratorului pot fi utilizați în termometrie la distanţă, pentru a determina temperatura corpului pe care este ataşată pastila fosfor, sau pot fi folosiți în conversia radiaţiei emise de led-urile albe, pentru a reda cât mai bine culorile din zona roşie a spectrului. Laserii care emit sau care sunt utilizați pentru a genera diverse culori pot fi întrebuinţaţi în industria de divertisment, existând posibilitatea realizării de televizoare cu laser.
Pulsul laser folosit în bujia laser poate fi utilizat şi în prelucrări de materiale, spre exemplu pentru realizarea de găuri foarte fine, specifice injectoarelor de combustibil. În aplicaţiile de „peening“ se asigură întărirea suprafeţelor componentelor metalice care s-au deteriorat în timpul utilizării îndelungate. Sunt materiale care nu se pot prelucra la anumite lungimi de undă, în schimb se poate interveni asupra lor la alte lungimi, prin obținerea de laseri specifici.
Plaja aplicaţiilor ce pot fi realizate în urma cercetărilor efectuate în Laboratorul ECS nu este limitată. Laserii ce pot fi realizați aici îşi pot găsi utilizare în industria spaţială, militară sau de apărare, precum şi în comunicaţii sau medicină. Practic, sunt puţine domenii şi industrii în care să nu poată fi transferate rezultate ale cercetărilor efectuate în acest laborator.