Od optyki fundamentalnej do zastosowań biofotonicznych

Dyrektor Centrum: prof. dr hab. Sebastian Maćkowski

Działalność naukowa Centrum koncentruje się wokół doskonalenia technologii ultraczułej spektroskopii optycznej, metod bioobrazowania medycznego i zaawansowanej mikroskopii fluorescencyjnej w celu zrozumienia podstaw oddziaływań w świecie pojedynczych emiterów i nanostruktur, ich układów sprzężonych oddziaływaniami, a także tlenek i organów, takich jak oko. Grono naukowców tworzących Centrum skupia zarówno ekspertów z zakresu badań doświadczalnych, dysponujących wysokiej klasy aparaturą naukową, jak i teoretyków, specjalizujących się w modelowaniu i obliczeniach ab initio. Struktura Centrum opiera się na trzech, wyłonionych w konkursie, Priorytetowych Zespołach Badawczych.

1. LIGHT-LANCET (Life-sciences, Applications, Nano-photonics – Cutting Edge Technologies), kierownik: dr. hab. Maciej Szkulmowski, prof. UMK

Celem badań interdyscyplinarnego zespołu LIGHT-LANCET jest opracowanie najnowocześniejszych technologii dla docelowo bezinwazyjnego biomedycznego obrazowania optycznego (między innymi optycznej tomografii koherencyjnej lub mikroskopii fazowej) i ich wykorzystaniu do uzyskania wglądu w strukturę i funkcję układów biologicznych. Badania te mają na celu między innymi identyfikację biomarkerów do wczesnego wykrywania chorób cywilizacyjnych, takich jak:

1. 1. upośledzenie wzroku określane na podstawie zmian morfologii i czynności oka ludzkiego,
  2. cukrzyca, nadciśnienie i choroby ogólnoustrojowe, wykrywane przez zmiany w naczyniach krwionośnych siatkówki i dynamikę przepływu krwi,
  3. zaburzenia neurodegeneracyjne, określane na podstawie zmian w tkance nerwowej oka ludzkiego lub przez dokładne określenie ilościowe morfologii oka i jego dynamiki.

Zespół przoduje w dziedzinie optyki, elektroniki i przetwarzania danych w celu wdrożenia rozwiązań optycznych, od rozważań teoretycznych po działające prototypy. Podczas badań klinicznych współpracujemy z biologami i lekarzami i naszym celem jest komercjalizacja rozwiązań laboratoryjnych.

2. QUANTUMSYS (Quantum systems for fundamental research), kierownik: prof. dr. hab. Roman Ciuryło

Główny zakres badań naukowych prowadzonych w QuantumSys obejmie eksperymentalne i teoretyczne badania układów kwantowych w celu poszukiwania nowej fizyki poza Modelem Standardowym. W tym celu chcemy wykorzystać, jako „konia pociągowego”, globalną sieć optycznych zegarów atomowych, która jest rozwijana przez nas we współpracy z wiodącymi laboratoriami na całym świecie. Ta sieć pozwoli na zbadanie możliwości wykrycia ciemnej materii. Istnienie ciemnej materii jest obecnie jednym z głównych podstawowych pytań współczesnej fizyki. Jednocześnie będziemy szukać nowych oddziaływań typu hadron-hadron lub grawitacji nienewtonowskiej w skali nano. Modelowym układem badanym w tym celu będzie zestaw stanów kwantowych dwóch oddziałujących atomów wodoru, które można opisać z najwyższą możliwą dokładnością, poczynając od pierwszych zasad. Pozwoli to na porównanie danych spektroskopowych dla wodoru cząsteczkowego o dokładności na poziomie kHz lub subkHz, z teoretycznymi obliczeniami ab initio.

3. QUANTUMNANO (Quantum Nanophotonics), kierownik: prof. dr. hab. Sebastian Maćkowski

Najważniejsze tematy badawcze rozwijane przez zespół QuantumNano dotyczą eksperymentalnych i teoretycznych badań zjawisk kwantowych występujących w nanoskali, w tym:

1. 1. zastosowanie nanocząstek metali szlachetnych do skupiania światła, osiągając przestrzenne zdolności rozdzielcze przekraczające klasyczne ograniczenia, co wpływa na generację pojedynczych fotonów,
  2. badanie nanomateriałów dielektrycznych pod kątem oddziaływania światła z kropkami kwantowymi i nanodrutami,
  3. generowanie ciepła z wykorzystaniem grafenu i nanostruktur metalicznych.

Ma to na celu opracowanie, modelowanie i wytwarzanie hybrydowych nanostruktur i urządzeń, w których te funkcje są w kontrolowany sposób łączone w celu poprawy ich wydajności, przede wszystkim w kontekście zastosowań w fotonice, komunikacji optycznej, sensoryce i sztucznej fotosyntezie. Do naszych celów badawczych zaliczamy: (1) opracowanie teoretycznego modelu ekscytonów Rydberga w mikrokryształach Cu₂O, (2) rozwój narzędzi dla wielofotonowej mikroskopii kwantowej, (3) inżynierię scalonych, zminiaturyzowanych elementów optycznych umożliwiających eksperymenty z pojedynczymi fotonami oraz (4) badania spektroskopowe i teoretyczny opis transferu energii do grafenu i innych materiałów dwuwymiarowych.

Więcej informacji:

Prof. dr hab. Sebastian Maćkowski kieruje Zespołem Optyki Nanostruktur Hybrydowych na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej na Uniwersytecie Mikołaja Kopernika w Toruniu. Zespół został utworzony w 2009 po otrzymaniu prestiżowego grantu WELCOME przyznanego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej. Wcześniejsze doświadczenia lidera zespołu badawczego, które zdobył podczas staży na Uniwersytecie w Cincinnati (3 lata) i Uniwersytecie Ludwika Maksymiliana w Monachium (3 lata), są fundamentem obszaru badań Centrum. Po powrocie do Polski Sebastian Mackowski kierował licznymi projektami badawczymi przyznanymi przez Europejską Fundację Nauki, Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego, Narodowe Centrum Nauki, Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, Urząd Marszałka Województwa Kujawsko-Pomorskiego, Miasto Gdynia. Wiele spośród tych projektów było realizowanych we współpracy z wiodącymi instytucjami z zagranicy. Mackowski był również Koordynatorem Naukowym we Wrocławskim Centrum Badań EIT+ oraz pełni funkcję prezesa Fundacji Badawczej Bałtycki Instytut Technologiczny w Gdyni. Sprawował opiekę naukową nad 14 doktorantami, z czego 9 osób uzyskało stopień naukowy doktora (fizyka, biofizyka, chemia), a także nad 12 uczestnikami staży podoktorskich (chemia, fizyka, biologia, chemia fizyczna). Interdyscyplinarne badania prowadzone w Zespole Optyki Nanostruktur Hybrydowych dotyczą przede wszystkim zastosowania zaawansowanych i nowatorskich technik mikroskopii i spektroskopii fluorescencyjnej do badań podstawowych zjawisk w nanoświecie, włączając w to nanooptykę, sensorykę, sztuczną fotosyntezę, konwersję energii, fotokatalizę, itp.