O projekcie
CENTERA to nowe Centrum R&D finansowane przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej w ramach programu Międzynarodowe Agendy Badawcze (MAB). Jego założycielami są światowej klasy polscy fizycy – profesorowie IWC PAN Wojciech Knap i Thomas Skotnicki – od kilkunastu lat zajmujący się pionierskimi badaniami w dziedzinie promieniowania terahercowego.
Promieniowanie terahercowe (zwane też falami T, THz lub submilimetrowymi) to promieniowanie elektromagnetyczne o częstościach oscylacji rzędu 1012 Hz. Nazwa ta dotyczy zatem pasma leżącego pomiędzy podczerwienią a mikrofalami. Mimo że jest ono znane od dawna, jak dotychczas nie jest wykorzystywane przez człowieka na szeroką skalę. Stąd nazywane jest zapomnianym pasmem lub luką terahercową. Posiada jednak ogromny potencjał aplikacyjny, a w Polsce badania terahercowe prowadzone są od kilkunastu lat. Dlatego mamy znakomite warunki do opracowania innowacyjnych przyrządów oraz technologii terahercowych (m.in. skanerów i mikroskopów) i wprowadzenia ich na rynek, najpierw w Polsce, a potem w Europie. Badaniami nad podstawowymi i aplikacyjnymi własnościami promieniowania terahercowego będą zajmować się naukowcy z nowo powstającego Centrum Badań i Zastosowań Terahercowych CENTERA.
Historia
LABORATORIA CENTERA powołane do życia we wrześniu 2018 roku w Warszawie, tworzą jednostkę badawczo-rozwojową współfinansowaną z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego. CENTERA to projekt realizowany w ramach programu Fundacji na rzecz Nauki Polskiej „Międzynarodowe Agendy Badawcze” (MAB). CENTERA jest związana z Polską Akademią Nauk poprzez Instytut Wysokich Ciśnień PAN ale posiada dużą autonomię i własny budżet wynoszący około 40 milionów złotych na 5 lat (około 10 milionów euro), zapewniając naukowcom zarobki na europejskim poziomie i wysokiej klasy aparaturę badawczą. Ich celem jest stworzenie nowoczesnej i trwałej jednostki badawczo-rozwojowej, która po pięciu latach finansowania będzie samowystarczalna pod względem ekonomicznym dzięki projektom badawczym i współpracy z przemysłem.
Misja i wdrożenie
Oryginalność i konkurencyjność podejścia CENTERA opiera się na trzech filarach:
1. Charakter interdyscyplinarny: opierać się będzie na synergii najwyższej klasy naukowców specjalizujących się w fizyce, biomedycynie, chemii, materiałoznawstwie i elektronice, aby stworzyć silne i efektywnie współdziałające środowisko zintegrowane wokół eksploracji nauki i technologii THz.
2. Silne podstawy nauki – interakcja nauk stosowanych w oparciu o to, że CENTERA będzie:
a) poszukiwać nowych zjawisk z dziedzin fizyki, elektroniki i biomedycyny występujących w zakresie promieniowania THz
b) jednocześnie badać stosowane aspekty naukowe i inżynierskie tych nowych zjawisk, materiałów i technologii aby opracować nowe techniki, urządzenia i demonstratory umożliwiające powszechną eksploatację promieniowania THz w zakresie bezpieczeństwa, zdrowia i bezinwazyjnej kontroli jakości. Zapewni to najlepszy efekt prac badawczo-rozwojowych dla CENTER-y.
3. Silna synergia działań grup roboczych: grupy robocze będą w stanie tworzyć nowe rozwiązania w celu pokonywania przeszkód w obszarze promieniowania THz, wykorzystując bezpośrednią współpracę w ramach CENTER-y. Stworzy to silną jednostkę zdolną do generowania wyników naukowych i inżynieryjnych wykraczających poza kres możliwości osiągnięć poszczególnych grup badawczych.
Cele CENTERA
CENTERA zamierza opracować przełomowe technologie w dziedzinie terahercowego generowania, przetwarzania, emitowania i odbioru. Eksploracja pola THz będzie miała znaczące konsekwencje społeczno-gospodarcze. Nowe źródła THz i inne osiągnięcia technologiczne osiągnięte przez CENTERA umożliwią wykorzystanie fal terahercowych w różnych obszarach gospodarki. Aplikacje te były wcześniej niedostępne ze względu na bardzo wysokie koszty, niedopuszczalne rozmiary lub inne niedociągnięcia dawnych rozwiązań technologicznych dla nadajników i detektorów fal THz. Badania CENTERA przyspieszą ich rozwój.
Badania
CENTERA prowadzi badania nad wykorzystaniem technologii terahercowej korzystając z wysokiej jakości aparatury badawczej.
- Projektowanie źródeł promieniowania i detektorów dedykowanych dla zakresu terahercowego
- Charakteryzacja i diagnostyka materiałów w częstotliwościach terahercowych
- Projektowanie, realizacja i charakteryzacja komponentów i systemów
- Optyka i elektronika pracująca w zakresach terahercowym i milimetrowym, systemy obrazowania
- Projektowanie i rozwój anten dla częstotliwości terahercowych
- Badania zjawisk fizycznych prowadzących do generacji, wzmocnienia lub detekcji promieniowania terahercowego
Grupy Badawcze
CENTERA LABORATORIES składają się z 5 poszczególnych laboratoriów (Lab) i odpowiadają 5 grupom badawczym (WG)
Lab 1 and WG1 Kierownik prof. Wojciech Knap
Lab 1 koncentruje się na niestabilnościach plazmy w strukturach dwu i trójwymiarowych, szczególnie
w systemach ciała stałego z fermionami Diraka i izolatorami topologicznymi. Oryginalność i innowacyjność zaproponowanych badań wynika z synergicznych poszukiwań w ostatnio rozwiniętych dziedzinach: nauki związane z terahercami, nauka o nanostrukturach, izolatory topologiczne i nauka o materiałach podobnych do grafenu (materia Diraca). Terahercowe niestabilności plazmy są istotne do efektywnego wykrywania i emisji promieniowania terahercowego i przyczynią się do lepszego zrozumienia nowych materiałów takich, jak materia dirakowska z jej naturalnymi częstotliwościami pojawiającymi się w częstotliwościach terahercowych.
Lab 3 i WG3 Kierownik grupy prof. Alvydas Lisauskas
Obszarem badań LAB 3 są aktywne układy terahercowe (emitery, detektory i układy wzmacniające) implementowane w formie scalonej. Technologia THz, znajdująca się wciąż w początkowej fazie swojego rozwoju, potrzebuje systematycznego napływu innowacyjnych rozwiązań w dziedzinie zarówno generacji, jak i detekcji promieniowania THz. Jedynie dzięki opracowywaniu nowych, wydajnych, ale jednocześnie tanich w masowej produkcji emiterów oraz detektorów, możliwe będzie rozpowszechnienie się w przyszłości technologii terahercowej na szeroką skalę, także w przedmiotach powszechnego użytku. W swoich badaniach, WG3 stara się równolegle realizować dwa podejścia: naukowe i aplikacyjne. Z jednej strony prowadzone są badania związane z modelowaniem struktur THz i budowaniem opisów wciąż nie do końca wyjaśnionych zjawisk fizycznych, a z drugiej – poprzez konstrukcję efektywnych anten i układów odczytowych/sterujących – dbamy o to, aby parametry opracowanych w trakcie badań przyrządów predysponowały je do użycia w rzeczywistych urządzeniach czy systemach. W swej pracy WG3 koncentruje się na strukturach wykonanych w technologiach Si, GaAs, InP, GaN oraz AlN – w zakresie tej tematyki grupa współpracuje z kilkoma wiodącymi ośrodkami badawczymi w Polsce i na świecie.
Lab 4 i WG4 Kierownik grupy prof. Dmytry Lyubchenko
Zadaniem grupy Lab 4 jest badanie nowych możliwości w optyce dyfrakcyjnej i nowych typów materiałów jak również silnych, czynnych układów funkcjonalnych. Ma to na celu połączenie promieniowania terahercowego z urządzeniami i komponentami opartymi między innymi o materiały szerokoprzerwowe (szafir, półprzewodniki azotkowe), a także materiały oparte na węglu (np. nanorurki węglowe, grafen). Zadaniem tej grupy badawczej jest wyznaczanie parametrów materiałowych, projektowanie struktur pasywnych, w tym anten, soczewek i filtrów, jak również optymalizacja ich połączenia z aktywnymi urządzeniami terahercowymi. Obszar badań grupy WG4 obejmuje również tematy wydajnych połączeń międzysystemowych, integracji w terahercowych układach scalonych z antenami i optyką w celu otrzymania wysokiej wydajności połączeń mikroukładu system-on-package (SiP), małego rozmiaru, niskiego zużycia energii, czyli finalnie tanich nadajników i odbiorników. Oprócz projektowania, obliczeń i modelowania anten na układzie scalonym i optyki dyfrakcyjnej, WG4 zajmuje się pełną charakteryzacją wytworzonych podsystemów przy użyciu zaawansowanych stacji sond sub-terahercowych i komór bezechowych. Istotną częścią naszej aktywności jest również szczegółowe badanie szumów niskiej i wysokiej częstości, jak również szumów fazowych w systemach terahercowych.
Lab 5 i WG5 Kierownik grupy prof. Tomasz Skotnicki
Pierwszym i największym wyzwaniem badawczym WG5 jest ocena różnych aplikacji terahercowych. Wiele z nich było postulowanych, niektóre doczekały się demonstratorów, jednak nie zostały opracowane dla rynku masowego. Zadaniem WG5 jest rozpoznanie głównych trudności oraz wybór strategii, która umożliwi ominięcie lub usunięcie tych utrudnień (np. wysoki koszt/mała spójność) i identyfikacja zastosowań. WG5 zdecyduje, które zastosowania technologii terahercowej mogą być naukowo i technologicznie rozwijane w ramach projektu CENTERA i oceni ich potencjał rynkowy. WG5 przygotuje dla nich specyfikacje i stworzy demonstratory wykazujące się możliwie jak najwyższym wskaźnikiem poziomu gotowości technologicznej TRL (Technology Readiness Level). Dodatkowo grupa przygotuje broszury oraz karty katalogowe komercjalizowanych urządzeń. Ponadto zespół będzie uczestniczył w rozwijaniu i optymalizowaniu innowacyjnych topologii i pionierskich technologii wytwarzania terahercowych urządzeń codziennego użytku. Do zadań tej grupy badawczej należy także ochrona własności intelektualnej wytworzonej w projekcie CENTERA. Eksperci z WG5 są odpowiedzialni za patentowanie wynalazków, urządzeń i systemów wytworzonych w pozostałych grupach badawczych. Działalność poza-naukowa WG5 polega na budowaniu marki CENTERA, jako światowej klasy ośrodka zajmującego się badaniami i aplikacjami terahercowymi rozpoznawanego i wspieranego przez międzynarodowe środowisko naukowo-biznesowe.
Lab 6 i WG6 Kierownik grupy prof. Marek Potemski
Marek Potemski jest absolwentem Uniwersytetu Warszawskiego (1980); doktoryzował się w Polskiej Akademii Nauk (1986); prowadził badania początkowo w Warszawie (1980-1991) w Instytucie Fizyki, a następnie dołączył do stałej kadry francuskiego Centre National de la Recherche Scientifique, jako pracownik naukowy, a potem jako kierownik „Półprzewodników i Nanofizyki” we francuskim Narodowym Laboratorium Silnych Pól Magnetycznych w Grenoble.
Właściwości elektronowe układów dwuwymiarowych i nanostruktur półprzewodnikowych, w połączeniu z zastosowaniem pól magnetycznych, stanowią najbardziej reprezentatywną dziedzinę jego działalności badawczej (400+ publikacji, ponad 11000 cytowań, promotor 18 projektów doktorskich i 24 habilitacyjnych, rozszerzone pobyty naukowe w NRC-Canada/IMS-Ottawa, Autonomiczny Uniwersytet Madrytu i Uniwersytet Warszawski/Wydział Fizyki).
Prof. Potemski jest członkiem Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego i członkiem Akademii Europejskiej; koordynował szereg projektów badawczych, w tym przyznanych mu przez NRC-Canada (Herzberg Prize and Fellowship), ERC (Advanced Research Grant), EC (w ramach Graphene Flagship) oraz FNP-Poland (w ramach programu TEAM) ). Dołączył do zespołu CENTERA z programem badawczym ukierunkowanym na badania materiałów 2D.
Prof. dr hab. Jacek Majewski
Prof. Majewski wspiera teoretycznie badania prowadzone w ramach projektu CENTERA poprzez:
- głębsze zrozumienie materiałów uważanych za źródła promieniowania THz oraz
- ilościowe prognozy teoretyczne, które powinny ułatwić projektowanie nowatorskich urządzeń.
Metodologia teoretyczna i obliczeniowa zaangażowana w realizację tych działań obejmuje obliczenia ab initio w ramach teorii funkcjonału gęstości (DFT), pół-empiryczne metody ciasnego wiązania oraz inne efektywne metody hamiltonowskie, metody ciągłe do opisu zjawisk elektrycznych, magnetycznych, optycznych i właściwości transportowe rozważanych w projekcie CENTERA materiałów. W szczególności w związku z WP6 prof. Majewski planuje wykonanie szeregu obliczeń dla rodziny związków MPX3, gdzie M oznacza metal przejściowy, a X – atom chalkogenku, S, Se lub Te, które są badane w WP6. Badania te, obejmują efekty oddziaływania magnon-fonon, wyznaczenie stałych opisujących oddziaływania Dzyaloshinskii-Moriya oraz modyfikację magnetyzmu przez światło. W ramach współpracy z WP1 planowane jest wykonanie obliczeń ab initio szybkości rozpraszania elektronów w poszczególnych układach badanych w WP1, a następnie wdrożenie ich do obliczeń transportowych.
Prof. Majewski planuje zbadać elekty plazmonowe w niskowymiarowych układach skończonych (takich, jak płatki grafenu i nanorurki). Pozwoliłoby to na identyfikację nowych dobrze prosperujących kandydatów na systemy terahercowe.
Aparatura badawcza CENTERY
Kriogeniczna stacja do pomiarów ostrzowych
Magnetyczny i niemagnetyczny stół optyczny z podstawami
VDI Generator sygnałów do 440 GHz
Wzmacniacze homodynowe (lock-in)
Szukamy partnerów do wspólnych projektów
i przedsięwzięć w następujących obszarach:
KONTROLA SKŁADU I ZANIECZYSZCZEŃ PALIW PŁYNNYCH.
KONTROLA CZYSTOŚCI WODORU SŁUŻĄCEGO DO ZASILANIA OGNIW PALIWOWYCH.
INFRASTRUKTURA i ŁĄCZNOŚĆ BEZPRZEWODOWA: inteligentna infrastruktura z szerokopasmowymi łączami transmisji danych w paśmie terahercowym.
SYSTEMY BEZPIECZEŃSTWA i OCHRONY: skaner biurowy do prześwietlania korespondencji w biurach, ambasadach oraz ministerstwach; innowacyjne systemy inspekcyjne dla sortowni przesyłek pocztowych, placówek policyjnych i celnych.
KONTROLA JAKOŚCI: szybkie skanery sprawdzające w produkcji ciągłej (real-time and on-line): jakość produktów (m.in.: pęknięcia, naprężenia), jednorodność napełniania płynów (napojów, olejów, smarów) w kontenerach nieprzezroczystych oraz jednorodność grubości wyrobów plastikowych lub drewnianych.
FARMACJA: kontrola wilgotności tabletek; prawidłowości składu leków/tabletek warstwowych, kontrola zawartości opakowań z tabletkami lub płynami, kontrola prawidłowości ułożenia tabletek, jak również hermetyczności leków pakowanych próżniowo.
MEDYCYNA I BIOINŻYNIERIA: wizja terahercowa – rozwój mikroskopu medycznego na potrzeby chirurgii onkologicznej; badanie gazów wydychanych przez człowieka w celu wykrywania cukrzycy i nowotworów płuc; analiza krwi- medyczne badanie cieczy; analiza sub-THz w celu detekcji ilości cukru we krwi; analiza nawodnienia w przypadku rozległych oparzeń skóry np. na potrzeby chirurgii plastycznej
ROLNICTWO i PRZEMYSŁ SPOŻYWCZY- kontrola zawartości wody w liściach roślin dla automatycznego sterowania nawadnianiem; kontrola zawartości wody w produktach żywnościowych w celu nadzoru dojrzewania produktów, jak również kontroli przydatności do spożycia produktów pakowanych hermetycznie (bezpieczeństwo konsumenta i zmniejszanie marnotrawienia żywności).