Pavel Malý: Opravdová fyzika je mimo školní lavice

V pěti letech si doma postavil optickou laboratoř, v loňském roce mu vyšel článek v prestižním vědeckém časopise Nature. Teď na Matfyzu zakládá vlastní badatelskou skupinu. Fyzik Pavel Malý se věnuje výzkumu v oblasti spektroskopie – pomocí laserových pulzů studuje různé druhy materiálů a biofyzikálních vzorků. Za vývoj nové metody umožňující rozlišit dynamiku jedné a mnoha částic získal Cenu Nadačního fondu Bernarda Bolzana.

MATFYZ UK/Tomáš Rubín: Dr. Pavel Malý při přebírání ocenění od předsedkyně NFBB doc. Zuzany Práškové

V jakém věku vás zaujala fyzika?

Myslím, že mi bylo okolo pěti let, když mě v otcově laboratoři zaujalo fungování pikosekundového laseru, který vydával nejen světlo, ale i zvuky. Doma jsem následně sestavil svou vlastní optickou laboratoř a začal se věnovat optice.

Kdy jste poznal, že fyzika jako věda se dost liší od fyziky jako školního předmětu?

Během kontaktu s fyzikou mimo školní lavice. Zúčastnil jsem se Turnaje mladých fyziků, řešil jsem korespondeční seminář FYKOS (zejména abych mohl jet na soustředění), se spolužáky jsme sestrojili chaotické kyvadlo v rámci Science on Stage atp. Všude tam, kde se řeší „skutečné“ fyzikální problémy a kde nejzajímavější částí je zformulovat otázky a možné způsoby řešení.

Věnujete se nelineární spektroskopii, k čemu se konkrétně využívá?

Nelineární spektroskopie typu, kterému se věnuji, používá krátké laserové pulzy ke studiu velmi rychlé dynamiky elektronů např. v molekulách. Nelinearita je zde důležitá, protože odráží odezvu na více pulzů. Jedním pulzem lze elektrony rozkmitat a dodat jim tak energii (říkáme, že je tzv. excituje) a druhým pulzem sledovat, kam se excitační energie přenáší. Protože se zpravidla nepohybuje samotný elektron, ale elektrony si jen ze sousedních molekul předávají energii, mluvíme o pohybu kvazičástice excitace, tzv. excitonu.

Na stránkách vědeckého časopisu Nature vyšel v loňském roce váš článek, v němž jste spolu s kolegy z Německa a Kanady představili inovaci v rámci nelineární spektroskopie. Můžete přiblížit, v čem spočívá vaše nová metoda?

Laserový pulz může ve zkoumaném vzorku dodat energii jednomu, dvěma i více elektronům, excitonům nebo jiným (kvazi)částicím najednou. Excitované částice pak spolu mohou interagovat – při jejich kolizi může například jedna energii získat a druhá ztratit. V běžných experimentech jsou přítomny signály zahrnující dynamiku jedné i více excitovaných částic a je obtížné je od sebe oddělit. Naše metoda umožňuje použitím několika přesně definovaných intenzit excitačních laserových pulzů měřit dynamiku třeba jen jedné částice nebo naopak izolovat signál od částic, které spolu interagují. Důležité je, že přitom nezáleží na typu vzorku a dokonce ani druhu částic.

Kde se přesnější měření mohou uplatnit?

Dobrý příklad uplatnění jsou velké systémy s mnoha molekulami, jako jsou např. fotosyntetické bílkoviny, ve kterých se pohlcená energie ze slunečního svitu přenáší mezi desítkami až stovkami molekul téměř beze ztrát. Naše metoda zde umožňuje s využitím laserových pulzů sledovat pohyb jednoho balíčku energie – excitonu – který se odehrává i za přírodních podmínek s o mnoho slabším slunečním světlem. Zároveň lze využít interakci dvou excitonů k sledování přenosu energie na dlouhé vzdálenosti, přičemž spektroskopický signál se objeví, až když se dva excitony potkají a předají si energii.

Co vás (a zbytek týmu) k tomuto nápadu inspirovalo?

S přítomností více excitovaných částic se nelineární spektroskopie potýká už desítky let. My jsme s kolegy ve Würzburgu zkoumali oddělení dvoučásticových signálů ve spektroskopii s více pulzy podle excitační energie a jejich využití. Při tomto výzkumu jsme zjistili, že když jsme ochotni se vzdát detailního rozlišení excitační energie, existuje vztah mezi signály pocházejícími od excitace jedním, dvěma, třemi atd. fotony s laserovými pulzy. Okamžik prozření nastal, když jsme si uvědomili, že vlastně mluvíme o standardním časově rozlišeném experimentu, a namísto komplikovaných změn fáze pulzů se mění jen intenzita excitačního pulzu.

MATFYZ UK/Tomáš Rubín: Tři roky strávil jako postdok a Humboldt research fellow na univerzitě v německém Würzburgu. Nyní působí na Fyzikálním ústavu UK

Jde o mezinárodně pojatý výzkum, takže můžete srovnávat standardy na různých pracovištích v rámci Evropy či dalších zemí světa. Jak z tohoto srovnání vychází Matfyz?

Matfyz je na vědecké i akademické úrovni srovnatelný s jinými pracovišti na světě. Zejména kvalita výuky je na Matfyzu velmi vysoká, naším specifikem je vysoký poměr mezi počtem vědců a studentů a důraz na důkladné základní znalosti. Po vědecké stránce je specifikem vysoká motivace ke spolupráci v rámci fakulty i mezi vědci z jiných fakult.

Plánujete svůj výzkum i nadále rozvíjet na fakultě?

Určitě, v současné době spolupracujeme se skupinami z fakulty na implementaci metody pro měření přenosu energie v obrovských fotosyntetických anténách zelených bakterií a pro měření interakce nosičů náboje v křemíkových nanokrystalech. V budoucnu bychom chtěli postavit experiment i v naší vlastní laboratoři.

Jakým směrem chcete pokračovat ve vědecké kariéře?

V současné době zakládáme malou výzkumnou skupinu okolo laboratoře ultrarychlé spektroskopie molekul. Chystáme se spojit nelineární velmi rychlou spektroskopii s fluorescenční mikroskopií, cílem je sledovat procesy jako přenos excitační energie s velkým časovým i prostorovým rozlišením. Mohli bychom tak měřit přenos energie v jednotlivých molekulách, nebo naopak v komplexních systémech, jako jsou např. celé listy.

Jak vnímáte ocenění NFBB?

Ocenění je vítaným povzbuzením, signálem, že je naše práce vidět i za rámec specializované komunity.

Nadační fond Bernarda Bolzana funguje od roku 1999 při Matematicko-fyzikální fakultě UK. K jeho úkolům patří mimo jiné nevýdělečná podpora vědecké a pedagogické činnosti na Univerzitě Karlově v oborech fyziky, matematiky a informatiky, rozšiřování úrovně experimentálních možností a teoretických postupů nebo zprostředkování širšího mezinárodního uplatnění vědeckých výsledků dosažených v daných oborech na UK.