Neviditelné brýle pro elektronový mikroskop
Praha 17. března 2026 (PROTEXT) - Cenu za Nejvýznamnější výsledek základního výzkumu získal tým doc. RNDr. Martina Kozáka, Ph.D., ve složení Dr. rer. nat. Marius Constantin Chirita Mihaila, Mgr. Petr Koutenský a Mgr. Kamila Moriová z Matematicko-fyzikální fakulty UK za Korekci vad zobrazení elektronové optiky pomocí světla.
Tématem práce, která získala letošní Cenu Wernera von Siemense v kategorii Nejvýznamnější výsledek základního výzkumu, je vývoj metod dovolujících pokročilé a přesné ovládání elektronů pomocí tvarovaných světelných vln. Řízené urychlování nebo zpomalování elektronů pak lze využít ke korekci sférické vady zobrazení elektronového mikroskopu. Vady zobrazení zhoršují prostorové rozlišení elektronových mikroskopů a na jejich potlačení se v současnosti využívají korektory s několika multipólovými elektromagnety, které by se v budoucnu mohly nahradit právě interakcí elektronů se světlem. Nově vyvinutá metoda korekce sférické vady čočky elektronového mikroskopu zatím funguje pouze v pulzním režimu tohoto zařízení. To znamená, že elektronový svazek, který slouží k zobrazování vzorků s vysokým prostorovým rozlišením, má formu krátkých femtosekundových pulzů. Pro použití v klasických mikroskopech, ve kterých se elektrony šíří jako kontinuální svazek, bude nejprve nutné zesílit dostatečně kontinuální světelnou vlnu pomocí optického rezonátoru – na tom se v současné době pracuje.
Elektrony na vlnách světla
Světlo je tvořeno vlnami elektromagnetického pole. Pokud do takové vlny umístíme elektron, což je lehká záporně nabitá částice, začne kmitat. Podobně jako když loď pluje na rozbouřeném moři, zmítá se elektron ze strany na stranu. Po odeznění vlnění však pokračuje v pohybu stejným směrem a rychlostí jako před příchodem vlny. Ovšem pokud je vlnění dostatečně silné a výška vln se liší v různých místech, elektron lze urychlit či zpomalit. Oceněná práce poprvé ukazuje, že tento princip umožňuje korigovat sférické vady čočky elektronového mikroskopu.
„Když se člověku zhorší zrak, vezme si brýle. Aby bylo vidění dokonalé, dopadající světlo se musí správně zaostřit na sítnici. Nicméně k tomu, aby byl výsledný obraz rozmazaný, stačí i malé nedokonalosti v oční čočce nebo tvaru oka. Brýle tento stav řeší tak, že ohýbají světlo přesně správným způsobem. U elektronového mikroskopu je to podobné, jen s tím rozdílem, že místo světla používá k pozorování extrémně malých věcí – až na úrovni atomů – elektrony. Problém je, že ani „čočky“ v elektronovém mikroskopu nejsou dokonalé, takže i tady může být výsledný obraz neostrý anebo dokonce rozmazaný. V naší práci používáme pečlivě tvarovaný laserový paprsek, který jemně řídí elektrony jako neviditelné ,brýle‘ pro elektronový mikroskop,“ vysvětluje Marius Constantin Chirita Mihaila, člen oceněného týmu.
Světlo v unikátní dvojroli
Zajímavé je, jak se tým k tomuto tématu dostal. Vedoucí týmu Martin Kozák říká, že na začátku byla otázka, jestli by nebylo možné elektrony urychlovat pomocí lokalizovaných světelných vln a nahradit tak klasické urychlovače částic. Ukázalo se, že i když je tato idea v principu proveditelná, jejímu praktickému využití brání příliš malé množství elektronů, které by se takto dalo urychlovat. „Během tohoto výzkumu jsem si uvědomil, že urychlování nemusí být jedinou aplikací a že elektrony ve vakuu je možné pomocí světelných vln řídit s vysokou přesností,“ doplňuje. A pokračuje: „Nejzajímavější na této práci je fakt, že jsme světlo použili nejen ke korekci sférické vady elektronové optiky mikroskopu, ale také jako ,vzorek‘, na kterém jsme korekci demonstrovali. Tento ,vzorek‘ jsme vytvořili pomocí dvou laserových pulzů šířících se proti sobě. Důsledkem je takzvaná optická stojatá vlna, tedy vlnění, které se zdánlivě nepohybuje a tvoří periodicky uspořádané proužky vzdálené od sebe pouhých 500 nanometrů. Tato ideálně tvarovaná vlna, zobrazená pomocí elektronového mikroskopu s vysokým zvětšením, nám umožnila stanovit, jak velká je sférická vada elektronové optiky, a ukázat, že ji skutečně dokážeme vykompenzovat.“
Z laboratoře do praxe
Hlavním cílem oceněného týmu je umožnit přenos některých výsledků z laboratoře do praxe. Proto se nyní usilovně zabývá možností upravit prezentovanou metodu tak, aby ji bylo možné použít pro korekci vad elektronové optiky v jakémkoliv elektronovém mikroskopu. Vzhledem k rozšíření těchto přístrojů v materiálovém výzkumu, biologii a dalších oborech a vysokým cenám současných korektorů by korekce vad světlem mohla být zajímavou alternativou.
Kompenzace sférické vady zobrazení časově rozlišené mikroskopie je prvním krokem. Metoda interakce elektronu se světlem se ukazuje jako univerzální. Lze díky ní ovlivňovat astigmatismus, chromatickou vadu, ale i ostření obrazu. Navíc tyto operace lze aplikovat najednou pomocí jediné interakce se světlem v maličkém kompaktním prostoru. Pokud by se podařilo tento princip aplikovat i v kontinuálním režimu mikroskopu, všechny mnohamilionové a stovky kilogramů vážící korektory vad mikroskopů by bylo možné nahradit maličkým rezonátorem čerpaným vláknovým laserem.
Propagace vědy mezi mladou generací
Tým se do soutěže přihlásil s cílem propagovat českou vědu, především mezi mladou generací. „Poslední dobou mám pocit, že ze slov matematika či fyzika se na základních a středních školách stávají neslušná slova, a velká část studentů se nechává slyšet, že těmto předmětům nerozumí, protože jsou příliš složité. Proto je podle mě důležité ukázat studentům, že pomocí exaktních věd lze dělat zajímavé věci a že je dobré naučit se využívat přírodní zákony pro něco užitečného. Chci věřit, že získání ceny pomůže přilákat k fyzice a k našemu oboru nové studenty. Experimentální fyzika je týmová práce. Vzhledem k tomu, že studenti u nás působí vždy pouze několik let, potřebujeme náš tým neustále doplňovat a průběžně hledáme nové kolegy a kolegyně,“ uzavírá Martin Kozák.
Cenu Wernera von Siemense pořádá již 28 let český Siemens v partnerství s významnými představiteli vysokých škol a Akademie věd ČR, kteří jsou i garanty jednotlivých kategorií a podílejí se na vyhodnocení nejlepších prací. V nezávislých porotách letos zasedlo 56 odborníků a zástupců akademické obce. Svým rozsahem, výší finančních odměn a historií je Cena Wernera von Siemense jednou z nejvýznamnějších nezávislých iniciativ tohoto druhu v České republice.
Zdroj: Siemens