Ponor do \"téměř magického\" potenciálu fotonických krystalů

Když zpochybňujete staleté předpoklady, je nevyhnutelné, že narazíte na odpor. Přesně to zažili John Joannopoulos a jeho tým na MIT v roce 1998, když představili novou teorii o tom, jak lze materiály přimět k ohýbání světla zcela novými způsoby.

\"Jelikož to byl tak velký rozdíl od toho, co lidé očekávali, sepsali jsme teorii, ale její publikování bylo velmi obtížné,\" řekl Joannopoulos zaplněnému sálu Huntington Hall na MIT v pátek, kdy přednesl přednášku v rámci udělení ceny Jamese R. Killiana Jr. za fakultní úspěchy.

Joannopoulosova teorie nabídla nový pohled na typ materiálu známý jako jednorozměrný fotonický krystal. Fotonické krystaly se skládají z vrstev látek s různými indexy lomu, jejichž uspořádání ovlivňuje odraz a absorpci dopadajícího světla.

V roce 1887 anglický fyzik John William Strutt, známější jako lord Rayleigh, stanovil teorii o tom, jak se světlo ohýbá skrz podobnou strukturu složenou z více vrstev s různými indexy lomu. Rayleigh předpověděl, že taková struktura může světlo odrážet, ale pouze pokud světlo dopadá pod velmi specifickým úhlem. Jinými slovy, taková struktura by mohla fungovat jako zrcadlo pouze pro světlo dopadající ze specifického směru.

O více než století později Joannopoulos a jeho skupina zjistili, že je tomu přesně naopak. Teoreticky dokázali, že pokud je jednorozměrný fotonický krystal vyroben z vrstev materiálů s určitými \"indexy lomu\", ohýbajících světlo různými stupni, pak by krystal jako celek měl být schopen odrážet světlo přicházející ze všech směrů. Takové uspořádání by mohlo fungovat jako \"dokonalé zrcadlo.\"

Tento nápad byl obrovským odklonem od toho, co vědci dlouho předpokládali, a proto, když Joannopoulos předložil výzkum k recenznímu řízení, trvalo nějakou dobu, než si časopis i vědecká komunita zvykli. Ale on a jeho studenti v tom vytrvali a teorii nakonec experimentálně ověřili.

Tato práce vedla k vysoce profilové publikaci, která pomohla soustředit myšlenku do zařízení: Pomocí stanovených principů efektivně vyrobili dokonalé zrcadlo a složili ho do trubice, aby vytvořili dutinkové vlákno. Když jím procházeli světlo, vnitřek vlákna odrážel veškeré světlo, které bylo tak zcela zachyceno ve středu vlákna a procházelo jím. V roce 2000 tým založil startup, aby dále rozvíjel vlákno do flexibilního, vysoce přesného a minimálně invazivního \"fotonického skalpelu\", který byl od té doby použit ve statisících lékařských zákroků, včetně operací mozku a páteře.

\"A věřte tomu: Odhadujeme, že bylo provedeno více než 500 000 zákroků v nemocnicích v USA i v zahraničí,\" hrdě prohlásil Joannopoulos pod vděčným potleskem.

Joannopoulos je držitelem ceny Jamese R. Killiana Jr. za fakultní úspěchy za roky 2024-2025 a je profesorem fyziky Francis Wright Davis a ředitelem Institutu pro vojenské nanotechnologie na MIT. V reakci na otázku člena publika, co ho motivovalo tváří v tvář počáteční skepsi, odpověděl: \"Musíte vytrvat, pokud věříte, že máte pravdu.\"

Neměřitelný dopad

Cena Killiana byla zřízena v roce 1971 na počest 10. prezidenta MIT, Jamese Killiana. Každý rok je touto cenou oceněn člen fakulty MIT na uznání jeho mimořádných profesních úspěchů.

Joannopoulos získal doktorát na Kalifornské univerzitě v Berkeley v roce 1974 a okamžitě se připojil k fakultě fyziky na MIT. Při úvodu k jeho přednášce Mary Fuller, profesorka literatury a předsedkyně fakulty MIT, poznamenala: \"Pokud si uděláte výpočet, zjistíte, že právě oslavil 50 let na MIT.\" Během této pozoruhodné kariéry Fuller zdůraznila hluboký dopad Joannopoulose na generace studentů MIT.

\"Uznáváme vás jako vůdce, vizionářského vědce, milovaného mentora a věřícího v dobro lidí,\" řekla Fuller. \"Váš legendární dopad na MIT a širší vědeckou komunitu je neměřitelný.\"

Ohýbání světla

Ve své přednášce s názvem \"Práce rychlostí světla\" Joannopoulos provedl publikum základními koncepty fotonických krystalů a způsoby, kterými on a další ukázali, že tyto materiály mohou ohýbat a kroutit dopadající světlo kontrolovaným způsobem.

Jak popsal, fotonické krystaly jsou \"umělé materiály\", které lze navrhnout tak, aby ovlivnily vlastnosti fotonů podobně, jako fyzikální vlastnosti polovodičů ovlivňují tok elektronů. V případě polovodičů mají tyto materiály specifickou \"zakázanou zónu\", nebo rozsah energií, ve kterých elektrony nemohou existovat.

V 90. letech se Joannopoulos a další ptali, zda lze stejné efekty dosáhnout u optických materiálů, aby se záměrně odrážely nebo blokovaly některé druhy světla, zatímco jiné propouštěly. A ještě fascinující: Dalo by se navrhnout jediný materiál tak, aby dopadající světlo odráželo od určitých oblastí materiálu po předem určených drahách?

\"Odpověď byla jednoznačné ano,\" řekl.

Joannopoulos popsal vzrušení v rozvíjející se oblasti citací redaktora časopisu Nature, který tehdy napsal: \"Kdyby bylo možné vyrobit materiály, ve kterých se elektromagnetické vlny nemohou šířit při určitých frekvencích, bylo by možné všechny druhy téměř magických věcí.\"

Joannopoulos a jeho skupina na MIT začali vážně objasňovat způsoby, jakými světlo interaguje s hmotou a vzduchem. Tým pracoval nejprve s dvojrozměrnými fotonickými krystaly vyrobenými z horizontální maticové struktury křemíkových teček obklopených vzduchem. Křemík má vysoký index lomu, což znamená, že může značně ohýbat nebo odrážet světlo, zatímco vzduch má mnohem nižší index. Joannopoulos předpověděl, že křemík lze strukturovat tak, aby odrážel světlo a vynucoval jeho pohyb vzduchem po předem určených drahách.

V několika pracích on a jeho studenti ukázali teoreticky i experimentálně, že mohou navrhnout fotonické krystaly, které například ohýbají dopadající světlo o 90 stupňů a nutí světlo k cirkulaci pouze na okrajích krystalu pod vlivem magnetického pole.

\"V průběhu let jsme objevili několik příkladů velmi anomálního, zvláštního chování světla, které nemůže existovat v běžných objektech,\" řekl.

V roce 1998, poté, co ukázali, že světlo lze odrážet ze všech směrů od vrstveného jednorozměrného fotonického krystalu, on a jeho studenti srotili krystalovou strukturu do vlákna, které testovali v laboratoři. Na videu, které Joannopoulos přehrál pro publikum, student pečlivě namířil konec dlouhého, flexibilního vlákna na list materiálu vyrobeného ze stejného materiálu jako obal vlákna. Jak světlo procházelo vícevrstevnou fotonickou výstelkou vlákna a ven z druhého konce, student použil světlo k pomalému leptání designu obličeje se smíchem do listu, čímž vyvolal smích v publiku.

Jak video ukázalo, i když bylo světlo dostatečně intenzivní na to, aby roztavilo materiál obalu vlákna, bylo přesto zcela obsaženo uvnitř jádra vlákna díky vícevrstevnému designu jeho fotonické výstelky. Navíc bylo světlo dostatečně zaostřeno, aby vytvářelo přesné vzory, když vyzařovalo z vlákna.

\"Původně jsme toto [optické vlákno] vyvinuli jako vojenské zařízení,\" řekl Joannopoulos. \"Ale pak byla jasná volba pro použití pro civilní obyvatelstvo.\"

\"Věřit v dobro lidí a v to, co dokáží\"

On a další spoluzaložili v roce 2000 společnost Omniguide, která se od té doby rozrostla v lékařskou společnost, která vyvíjí a komercializuje minimálně invazivní chirurgické nástroje, jako je vláknový \"fotonický skalpel\". Při ilustraci dopadu vlákna Joannopoulos přehrál televizní zprávu, která zdůrazňovala použití vlákna při provádění přesných a účinných neurochirurgických zákroků. Optický skalpel byl také použit při zákrocích v laryngologii, chirurgii hlavy a krku a gynekologii, stejně jako při operacích mozku a páteře.

Omniguide je jeden z několika startupů, které Joannopoulos pomohl založit, spolu s Luminus Devices, Inc., WiTricity Corporation, Typhoon HIL, Inc. a Lightelligence. Je autorem nebo spoluautorem více než 750 recenzovaných článků v časopisech, čtyř učebnic a 126 vydaných amerických patentů. Získal četná uznání a ocenění, včetně zvolení do Národní akademie věd a Americké akademie umění a věd.

Citace k udělení ceny Killiana uvádí: \"Profesor Joannopoulos byl neustálým vzorem nejen v tom, co dělá, ale i v tom, jak to dělá. ... Prostřednictvím všech těchto jedinců, na které měl vliv - nemluvě o jejich akademických potomcích - měl profesor Joannopoulos obrovský vliv na rozvoj vědy v posledních desetiletích.\"

Na konci přednášky se Yoel Fink, bývalý student a častý spolupracovník Joannopoulose, který je nyní profesorem materiálové vědy, zeptal Joannopoulose, jak se mu, zejména v současné době, podařilo \"udržovat tak pozitivní a optimistický pohled na lidi a lidskou povahu\".

\"Je to otázka víry v dobro lidí a v to, co dokáží, čeho dosáhnou, a vytvoření prostředí, ve kterém pracují a ve kterém se cítí extrémně pohodlně,\" nabídl Joannopoulos. \"To zahrnuje vytvoření pocitu důvěry mezi fakultou a studenty, což je klíčové. To enormně pomáhá.\"