Проф. Теньо Попминчев: новите очи на науката

Само за една седмица името му се появи в медии по цял свят – от Русия до Южна Америка, от САЩ до Азия; от световния научен стожер Science до гледаната от стотици милиони CNN. Името му е Теньо Попминчев и е начело на екип, създал революционно изобретение – рентгенов лазер. Благодарение на работата му установка, която преди е била голяма колкото футболно игрище, сега се събира на една маса. И още: създадената от него технология за първи път може да заснеме най-бързите процеси извън сърцето на атома; да направи рентгеновите снимки на практика безвредни; да създаде компютри, многократно по-бързи от днешните. 

Така изглежда рентгеновият лазер - ярка рентгенова светлина,

концентрирана в силно насочено и почти неразходимо лъчение.

Нека първо се върнем малко назад във времето. През последните години на ХIX век Вилхелм Рентген пръв регистрира лъчите, които получават неговото име. Първата медицинска снимка на ръката на жена му кара Ана да възкликне „Видях смъртта си". Впоследствие тези непознати лъчи откриват пред медицината и науката цял нов свят и поле за най-различни изследвания и това му носи първата Нобелова награда за физика.

6 десетилетия по-късно се появява лазерът. Да, изобретението е впечатляващо, медиите го отразяват с интерес, а по телевизорите ентусиазирано се показват демонстрации как с негова помощ могат да се белят картофи или да се пукат балони на разстояние с голяма точност. Тоест ясно е, че става дума за нещо полезно, но няма как веднага да се преценят реалните му възможности и приложения. Трябва да минат още няколко декади, преди да застане в основата на много от днешните иновации – от хард дисковете през интернет до свръхпрецизните очни операции...

Почти по същото време започват и опитите да се обединят двете начала – да се създадат устройства, които могат на базата на лазера да произведат рентгеново лъчение. Само година след първия лазер учен на име Франкен показва как може да се преобразуват различните цветове – ако два фотона от един и същи цвят се комбинират в кристал, може да се сътвори фотон с нов цвят или дължина на вълната – първият успех е с превръщането на червения рубинов лазерен лъч в ултравиолетов. Следващият по-сериозен пробив е през 1987 г., когато в САЩ комбинират 11 до 15 фотона в един сноп лъчи, за да сътворят фотон в екстремалния ултравиолет – абсолютно неочаквано ефективността на процеса не намалява, за разлика от бързото спадане, когато броят им е малък.  

Естествено – посоката е да се върви към все по-високи честоти и повече фотони. Тук обаче учените са в задънена улица.

БОМБА В РЕНТГЕНА

Най-сериозните имена пишат, че за създаването на рентгенов лазер е нужна огромна енергия, която само атомна бомба може да отдели, за да се възбуди атомът и по този начин да излъчи нужните високочестотни лъчи. И наистина – по време на студената война и двете суперсили правят подобни експерименти. Тъй като става дума предимно за военни проекти обаче, резултатите са засекретени и днес.

Въпреки всичко в началото на 90-те години учените правят нов сериозен пробив и успяват да създадат рентгенови лазери. Заемат площ дори по-голяма от футболен стадион – последните поколения са от по 7-8 километра в диаметър. Строежът им  надминава 10 милиарда долара, а 1 милион се изразходва ежедневно за експлоатация... Те не работят на принципа на лазера, а може да се каже, че комбинират ускорени електрони, които излъчват светлина. Първоначалните съоръжения имат лъчение със свойства на рентгенова лампа, а не на лазер, която излъчва светлина във всички посоки. Установки с почти лазерни параметри вече работят в Германия, САЩ, Франция, Япония.

Въпреки очевидните трудности те не страдат от липса на работа – на тях се правят експерименти, планирани за години напред, тъй като рентгеновите лазери имат приложение в какви ли не разнообразни направления на науката, индустрията, фармацията... А държавите се стремят да ограничават изследванията, избирайки само най-перспективните. 

Ето че след дългото въведение, стигаме и до същината на нещата. В началото на юни световните медии – научни и популярни, отделиха подобаващо внимание на новината, че екип от Колорадо е създал портативен рентгенов лазер. А начело е учен на име Теньо Попминчев!

10 МИЛИОНА ЦИГУЛКИ

Принципът на Франкен, по който фотоните могат да се комбинират и респективно лазерната светлина да става по-високочестотна, работи ефективно само при сравнително малък брой фотони. Тоест, за да направим рентгенов лазер, трябва на започнем от ултравиолетов. Много от учените доскоро приемаха това за даденост, но не и българинът. Той решава да тръгне срещу догмите в своята област и това му носи впечатляващите резултати. Не се предоверява на авторитетите и досегашните проучвания, според които механизмът не може да се осъществи, ако се започне с лазерни фотони от средата на  инфрачервената област.

Решава да провери сам дали наистина е така и след серия от експерименти успява да създаде установката – рентгенов лазер с размери колкото една маса. Ученият и колегите му вече имат и първите потвърждения, че силното лъчение е неотличимо от идеален лазер, въпреки че не се основава на същия принцип, който би изисквал енергията на атомна бомба. Тоест  дори е нещо повече от рентгенов лазер... 

Да опитаме да обясним изобретението на езика на музиката: нека си представим една цигулка. Ако скъсим наполовина дължината на една от нейните струни, тя ще започне да издава два пъти по-висок звук. Или на езика на физиката – честотата на трептене ще е два пъти по-висока. С изобретението си Попминчев успява да скъси струната, която в случая е светлина, цели 5000 пъти – комбинира едновременно 5000 фотона! При това го прави едновременно, образно казано, с цели 10 милиона цигулки! И най-важното – всички „свирещи" в синхрон! Толкова едновременно изпратени рентгенови фотони се улавят при снимка.

В основата на всичко е свръхбърз инфрачервен лазер, невидим за човешкото око, който се фокусира във влакно, пълно с благороден газ, и  заменя ускорителите на електрони в досегашните огромни установки. А това освен по-компактна е и доста по-евтина и ефективна технология. Образно сравнение може да се намери във всяко джобно лазерче, светещо зелено - то не излъчва директно зелена лазерна светлина, а преобразува чрез кристал инфрачервен лазер. И въпреки че, както стана ясно, официалната наука  цели две десетилетия е отхвърляла възможността методът да сработи по този начин, екипът от Колорадо успява. Защото, както казва Теньо Попминчев – малкото и голямото,  микро- и макроскопичната физика, заработват заедно в настолния рентгенов лазер.

„Откритието дойде малко неочаквано", признава физикът. „Преди това аз, а и колегите, работещи в тази област, се опитвахме да насилим природата да заработи по някакви други принципи и, естествено, не се получаваше с години. Но след като експериментът ми подсказа какво трябва да правя, всичко изглеждаше лесно и беше въпрос на елементарни изчисления, които могат да се поберат на гърба на пощенски плик. Естествено, трябва да си готов да видиш какво природата ти подсказва. Иначе пропускаш мига..." Първите прототипи са стъпка назад към нов ултравиолетов лазер, който днес не е нищо впечатляващо. 

Постепенно се вижда, че лазерът в екстремалния ултравиолет - който химици две декади наричат „най-близкото нещо до черна магия", е част от по-голяма картина, която няма лимит. „И много физика, която опростява математическите формули до няколко реда, за да има и рентгенова лазерна светлина." Плюс 50 атмосфери хелий – налягане като това на половин километър под повърхността на океана!

Така в началото на 2008 г. Попминчев подава заявка за патент – обобщена микро+макрорецепта как, колко и какъв цвят фотони да се комбинират в синхрон, за да се сътвори ярка лазерна светлина - не само в екстремалния ултравиолет, както досега - а във всяка част от спектъра, където процесът е възможен.

КОМУ Е

НУЖНО ТОВА? 

„Вече можем да започнем да използваме този източник на светлина, за да задаваме въпроси там, където нямаме никаква идея какъв може да е отговорът", коментира рентгеновия лазер на Попминчев пред списание Nature проф. Ференц Краус от немския институт „Макс Планк". „Това утройство  може да стане толкова разпространено, колкото и електронният микроскоп", допълва Олег Шпирко, професор по нанотехнологии в Калифорнийския университет в Сан Диего. „Ако имаш едно от тези устройства в собствената си лаборатория, можеш да сънуваш експеримента и да го направиш още утре!"

Както стана ясно, и при откриването на лазера учените не били наясно за огромния брой сфери, в които може да се използва. Същото важи и за изобретението, което ви представяме. Все пак много от посоките, в които ще започнат изследвания, са ясни.

Може би на първо място това е медицината. Насока дават досегашните огромни рентгенови лазери. Те са първата технология, позволила да се създаде триизмерна снимка на цяла човешка клетка. Оттук нататък все по-високата резолюция, с която работи технологията, открива и много по-големи възможности.

При зъболекаря или след падане всеки е попадал в рентгеновия кабинет. Чували сте, че с тези снимки не бива да се прекалява, защото крият определени здравни рискове. Е, в момента, когато ги заменят лазерните им роднини, няма да има такъв проблем – с настолната установка лъчението е напълно безопасно – то продължава само  2x10-18 секунди.

Ако сравним времето с това на традиционния рентген, съотношението е същото, както между една секунда и възрастта на Вселената... Разликата идва и от факта, че при рентгеновите лампи, използвани в болниците, лъчите се разпространяват във всички посоки, докато при лазера светлината е прецизно насочена.

Нещо повече – лъчите в новата технология са свръхбързи - от порядъка на няколко атосекунди (10-18 секунди) – светкавични на фона на обикновения рентген. И светкавични тук е просто дума – светкавиците всъщност са много, много по-бавни от времевия интервал, с който този нов „фотоапарат" може да снима. Той позволява дори електроните, най-бързите частици извън ядрото на атома, да бъдат заснети като замръзнали, а не само в началото и края на даден процес, или размазани – в движение, както при досегашните методи.  На практика за първи път ще могат да бъдат снимани процеси при техните естествени времеви интервали, процеси, за които дори не сме подозирали, че съществуват, именно заради високата им скорост. Това може да помогне и в генетиката – рентгеновият лазер ще позволи да се следи как скачат електроните по дължината на една гигантска молекула, каквато е ДНК.

И това съвсем не е всичко. За разлика от черно-белите, често размазани рентгенови снимки, новата технология има потенциал да позволи кристална чистота и голямо тримерно увеличение в дълбочина, което ще позволява на лекарите значително по-рано и точно да поставят диагноза. 

Тъй като стана дума за голямото увеличение, струва си да се замислим колко голямо всъщност е то. Рентгеновите лъчи имат много къса дължина на вълната, повече от 1000 пъти под тази на видимата светлина, и биха могли да правят снимки дори с резолюция един атом. Това е и първата технология, която има потенциала един ден да ни покаже снимки на свръхбързите процеси в атомното ядро – нещо, за което знаем доста по косвени показатели, но никога не сме виждали. Може да предизвика революция в ядрената физика – изследването с уреда би могло да даде отговор на отдавнашни въпроси за процесите на делене. А и в областта на космологията – устройството на най-малките познати ни градивни елементи и тяхната динамика е енигма, за която днешните физици само правят предположения.

А СЕГА НАКЪДЕ?

Рентгеновите лъчи могат да проникнат във всяка материя, а това дава много възможности и в областта на технологиите за триизмерни снимки в дълбочина. За разлика от други методи не работят например със заряд, който променя изследвания материал.

С екипа на българина вече са се свързали някои от водещите фирми в създаването на компютърни процесори – Intel и AMD, както и на хард дискове и нови носители - Hitachi, IBM. През последните години процесорите трябва да са по-бързи от всякога, за да отговорят на нуждите от все по-скоростни компютри. Това от своя страна налага включването на повече и повече транзистори. И въпреки това процесорът да остане компактен, което пък изисква частите му да са все по-малки и по-малки. Оказва се, че технологиите вече позволяват да се създават транзистори с размер под 26 нанометра – милиардни от метъра! Но проблемът е, че няма как да бъде видяно ясно направеното. Именно рентгеновият лазер ще позволи частите да се следят достатъчно добре, да се контролира производството и компютрите да станат по-бързи от всякога. Ще имат и повече памет. Защото това е и първата технология, която позволява да бъде проследен спинът – посоката на въртене на електрона. Знанието може да послужи за нещо съвсем практично, каквото е по-добрият и по-бърз запис. В добавка новите лъчи могат да се използват и за оптимизиране на отвеждането на топлина, която в нанотехнологиите не се разпространява по обичайните, познати ни от големите предмети закони. С други думи, освен че процесорът ще работи по-бързо, лаптопът на коленете ни няма да се нагрява до такава степен.

Безкрайният списък с възможности продължава с това, че рентгеновият лазер може да прецени какви химични елементи изграждат един материал, а това също може да даде неподозирани възможности в областта на нанотехнологиите. Какво ще произлезе в резултат – тепърва предстои да научаваме. Защо е така? Обикновено видимите лазери имат сравнително тесен спектър на излъчване. Новият вариант е повече от лазер - той излъчва едновременно най-широкия електромагнитен спектър от видими и невиди, ултравиолетови и рентгенови цветове. Истинска лазерна дъга! Именно тази дъга позволява да се „снемат отпечатъците на пръстите" на голям брой елементи едновременно.

 

Изследванията на екипа продължават. Най-сериозната работа, която предстои на този етап, е чисто инженерна - да бъде оптимизиран новият тип лазер за потребители в нанотехнологиите, за да не се продава в комплект с високоплатен специалист, който го управлява. След сериозния успех дотук обаче интересът на инвеститорите е голям и Попминчев вярва, че най-доброто предстои. Всъщност работата по изобретението на българина започва, след като той дълго време подготвя докторантура и работи в института JILA към Университета в Колорадо в Боулдър при проф. Хенри Кептейн и съпругата му проф. Маргарет Мърнейн. Двамата са създатели на първия лазер в екстремално ултравиолетовата част от спектъра. И именно наблюдението на тяхната работа дава на Попминчев идеята да продължи към рентгена. 

Следващите стъпки са за няколко години да бъде разработена първата медицинска версия, както и да се работи по още по-бърза, зептосекундна (10-21 секунди) рентгенова лазерна свекавица, която не съществува в природата. 

Цената на прототипа е  от порядъка на 2 млн. долара. За щастие, особено след големия медиен интерес, групата не страда от липса на спонсори – с тях се свързали както военновъздушните сили на САЩ, така и една от фондациите, най-много допринесла интернет днес да е толкова достъпен. Целта им е лазерът максимално бързо да влезе в арсенала на учените и индустрията. 

ЕДИН БЪЛГАРИН

Огромният медиен интерес към изобретението изненадва учения. Всъщност пътят му започва, както на много от успелите ни физици през последните десетилетия - от лагерите на Теодосий Теодосиев и от олимпиадите в Китай и Норвегия. Казанлъшкият учител по физика е известен с това, че с доста нетрадиционни методи е подготвил поколения българчета за огромни успехи на международни състезания, а на мнозина е проправил пътя към сериозната наука. Той комбинира целодневното решаване на физични задачи, често поднасяни по необичаен начин, с физическа активност, планински преходи, нетрадиционни игри. 

„Тогава наричахме тези школи концлагери. Ставаш сутринта в 8 - закуска, цял ден в същата зала, дори ядем в зала до тази с черната дъска, почивка и вечерта от 10 пак. Беше доста възпитателно... ", спомня си Попминчев.

 

Според него от особена полза за днешната му кариера е фактът, че физика се учи успешно само ако се комбинират теория и практика, фундаменталните основи и опитът, което не е точно така при сегашното образование. „След като разбрах, че на всеки теоретик се търсят по 10 експериментатори, реших да работя и в двете посоки", спомня си той. Сравнението, което дава, е със сегашната финансова криза. Според физика тя е нагледна илюстрация до какво може да се стигне, ако икономиката на Уолстрийт се опира на модели, създадени от теоретици без връзка с реалността, а не от хора с практика. 

„Докато се занимавах само с теория в СУ, нямах връзка, нямах усещане за природата. Понякога, докато работиш върху експеримента, тази бездна се скъсява и придобиваш интуиция. То е като любов с природата – придобиваш интимна интуиция за това какво ще проработи и какво – не."

БЕЗ ГРАНИЦИ

Като основен плюс от българското си образование младият учен приема навика да не се предоверява на авторитетите. Той му помогнал да не се ограничава от догмите в своята област и да започне опитите, които в крайна сметка довеждат до успеха.

Физикът заминава за САЩ  преди повече от 10 години. Само щастливо стечение на обстоятелствата забавя пътуването му и той не отлита на първоначално планирания 11 септември 2001 г. Препоръчан от проф. Иван Христов и проф. Иван Бъчваров от Софийския университет, той попада при проф. Кептейн и проф. Мърнейн, които бързо след това го избират и за докторант. Според него една от причините да се сработят добре е фактът, че и те са малко или повече емигранти – син на холандци емигранти и емигрантка от Ирландия.

От няколко години в изследванията в Колорадо се включва и по-малкият му брат Димитър, също докторант по физика, дал своя принос за изобретението. 

Попминчев не съжалява за избора да продължи отвъд океана, тъй като там има най-големи традиции в този тип технологии. „Занаят се усвоява от хора, а не от учебници и университети!" Освен това досегашните изследвания са стрували около 20 млн. долара. 

Новият лазер не е единственият му повод за гордост – миналата година докторската му дисертация е избрана сред 4-те най-добри в света на физиката. Новото изобретение е само началото – тепърва предстои то да си пробива път, да се развива и да открива пред очите на науката нови свръхбързи и фини светове. А защо един ден да не помогне на създателя си Теньо Попминчев да попълни списъка с лауреати, започнат от Рентген. Кой знае...

Списание 8, брой 8/2012