Ο Κρητικός επιστήμονας που «ταράζει» τα νερά της μικροσκοπίας

“I didn’t think. I investigated!”(Δεν σκεφτόμουν. Διερευνούσα!). Έτσι απάντησε ο Wilhelm Röntgen στην ερώτηση τι σκεφτόταν στις 8 Νοεμβρίου του 1895 όταν ανακάλυπτε τις ακτίνες Χ. Έτσι ακριβώς απαντά από τη Γερμανία μέσω της οθόνης του υπολογιστή ο καθηγητής Ελευθέριος Γουλιελμάκης τον ρωτάει η δημοσιογράφος του dikaiologitika.gr τι μέλλει γενέσθαι με τις ανακαλύψεις του.

Πρόκειται για τον Έλληνα φυσικό που εστιάζει την έρευνά του στη μελέτη της δυναμικής των ηλεκτρονίων μέσα στην ύλη και που παρήγαγε και μέτρησε τον βραχύτερο παλμό ηλεκτρονίων μέχρι σήμερα, χρησιμοποιώντας εξαιρετικά γρήγορες λάμψεις λέιζερ. Όμως, ακόμα κι αν αυτή η ανακάλυψη «τάραξε» τα νερά της επιστημονικής κοινότητας, μάλλον απογοήτευσε όλους εμάς που περιμέναμε να δούμε έναν απτό αντίκτυπο στην καθημερινότητά μας. Το σίγουρο είναι πάντως ότι θα επιταχύνει τη βασική έρευνα για τις ιδιότητες των υλικών.

Μ. Παρασκευή για τους Καθολικούς και ο καθηγητής του Εργαστηρίου Ακραίας Φωτονικής του Πανεπιστημίου του Ρόστοκ εκμεταλλεύεται την αργία για να συζητήσουμε για όλα εκείνα τα θαυμάσια που διερευνά. Η συζήτηση γίνεται με αφορμή την πρόσφατη επιλογή του για χρηματοδότηση από το πλέον ανταγωνιστικό ευρωπαϊκό πρόγραμμα ERC Advanced Grants 2022. Οι συγκεκριμένες χρηματοδοτήσεις του Ευρωπαϊκού Συμβουλίου Έρευνας δίνονται στο πλαίσιο του προγράμματος Έρευνας και Καινοτομίας της ΕΕ, «Horizon Europe» σε καταξιωμένους ερευνητές ανεξαρτήτως εθνικότητας, που έχουν να επιδείξουν σημαντικά επιστημονικά επιτεύγματα κατά την τελευταία δεκαετία. Για το 2022 τα βραβεία, με συνολική χρηματοδότηση 544 εκ.€, απονεμήθηκαν σε 218 ερευνητές για να υλοποιήσουν τις πιο καινοτόμες και φιλόδοξες ιδέες τους, διεξάγοντας πρωτοποριακή έρευνα σε όλους τους επιστημονικούς κλάδους. Ο καθηγητής Γουλιελμάκης ήταν ένας από αυτούς.

“Ultrafast Picoscopy of Solids”είναι ο τίτλος της πρότασης του Έλληνα καθηγητή που έλαβε χρηματοδότηση και τον ρωτώ αμέσως να μου εξηγήσει τι σημαίνει:

«Στην καθημερινότητα τα μάτια μας μπορούν να παρακολουθήσουν σε πραγματικό χρόνο πολλά δυναμικά φαινόμενα, όπως την ανατολή και την δύση του ήλιου, το πώς πετούν τα πουλιά στον ουρανό αλλά και ανθρώπινες δραστηριότητες όπως έναν αγώνα ποδοσφαίρου ή το ράλι Ακρόπολης. Μπορούμε ακόμα να καταγράψουμε αυτά τα φαινόμενα με μια βιντεοκάμερα και να τα δούμε σε επανάληψη. Χρησιμοποιώντας πιο προηγμένες τεχνολογικά βιντεοκάμερες μπορούμε να πάμε ακόμα ένα βήμα παραπέρα, να παρατηρήσουμε μικρές λεπτομέρειες κίνησης όπως το φτερούγισμα ενός πουλιού, ή την περιστροφή των τροχών ενός αυτοκινήτου. Δεν θα δούλευαν όμως ποτέ αυτά τα εργαλεία στην κλίμακα των ατόμων και των ηλεκτρονίων. Δεν θα είχαν αρκετή ταχύτητα λήψης και οι φωτογραφίες στα φιλμ θα έβγαιναν «κουνημένες». Και αυτό γιατί η κίνηση των ηλεκτρονίων μέσα στα άτομα, στα μόρια και στα υλικά συμβαίνει με ιλιγγιώδεις ταχύτητες. Για να καταλάβετε, ένα ηλεκτρόνιο χρειάζεται μόνο 150 δισεκατομμυριοστά του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου για να γυρίσει γύρω από τον πυρήνα του ατόμου ή αλλιώς 150 αττοδευτερόλεπτα. Ultrafast (υπεργρήγορο στα ελληνικά) είναι ένα φαινόμενο που συμβαίνει σε αυτή την απειροελάχιστη κλίμακα χρόνου. Το πεδίο της επιστήμης που διερευνά αυτά τα φαινόμενα είναι γνωστό και ως αττοφυσική η αττοεπιστήμη. Με την επιστήμη της αττοφυσικής κλείνουμε τον κύκλο παρατήρησης δυναμικών φαινομένων έξω από τον πυρήνα του ατόμου».

Στην κλίμακα των πικομέτρων…

Πριν μερικά χρόνια η ερευνητική ομάδα του καθηγητή Γουλιελμάκη-που εισήγαγε στο λεξιλόγιό μας την έννοια της Αττοφυσικής-σε συνεργασία με επιστήμονες του Ινστιτούτου Φυσικής της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών στο Πεκίνο, χρησιμοποίησαν λέιζερ για να αναπτύξουν το πρώτο μικροσκόπιο (Light Picoscope) λέιζερ, το οποίο αποτελεί και την βάση στην οποία θα στηριχτεί το νέο του εγχείρημα. Το μικροσκόπιο χρησιμοποιεί ισχυρούς παλμούς λέιζερ για να ακτινοβολήσει λεπτά υμένια κρυσταλλικών υλικών. Οι παλμοί λέιζερ εξαναγκάζουν μερικά ηλεκτρόνια να επιταχύνουν την κίνησή τους και να συγκρουστούν με τα υπόλοιπα εκπέμποντας έτσι αόρατη ακτινοβολία στο υπεριώδες μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, η οποία καταγράφεται με ειδικούς ανιχνευτές. Αναλύοντας τις ιδιότητες αυτής της ακτινοβολίας, οι ερευνητές κατάφεραν να συνθέσουν εικόνες των ηλεκτρονίων, οι οποίες απεικονίζουν τον τρόπο που αυτά κατανέμονται μέσα στα άτομα.

«Με τον όρο picoscopy (πικοσκοπία) περιγράφουμε μικροσκόπια που μπορούν να διακρίνουν στην κλίμακα των πικομέτρων, δηλαδή σε διαστάσεις περίπου ενός τρισεκατομμυριοστού του μέτρου, που είναι η φυσική κλίμακα χώρου στην οποία τα ηλεκτρόνια γίνονται ορατά. Η ιδέα του νέου εγχειρήματος μας είναι να συνδυάσουμε την παρατήρηση του μικρόκοσμου σε διαστάσεις συγκρίσιμες με εκείνες των ατόμων και των ηλεκτρονίων, αλλά ταυτόχρονα να το κάνουμε αυτό σε πραγματικό χρόνο. Με άλλα λόγια να αναπτύξουμε νέες τεχνικές που να το επιτρέπουν αυτό και να τις παραδώσουμε στην επιστημονική κοινότητα. Έτσι η νέα γενιά επιστημόνων θα έχει μια καινούργια πλατφόρμα εργαλείων για να πειραματιστεί και να πάει την επιστήμη ακόμα παραπέρα. Αυτή είναι και η μαγεία της επιστήμης. Να κάνει κάποιος κάτι με τα εργαλεία που του προσφέρεις και που εσύ δεν έχεις σκεφτεί καν», εξηγεί ο διαπρεπής επιστήμονας, φέρνοντάς μου στο μυαλό τον Μάρκ Τουέιν που είχε πει πως: «δεν μπορείς να βασίζεσαι στα μάτια σου όταν η φαντασία σου βρίσκεται εκτός εστίασης».

Σύμφωνα με τον ίδιο, όλες οι ιδιότητες των υλικών ξεκινούν από το σημείο που δυο άτομα ανταλλάσσουν ηλεκτρόνια για να δημιουργήσουν τον χημικό δεσμό και να προσδιορίσουν τον τρόπο με το οποίο κατανέμονται τα ηλεκτρόνια στον χώρο γύρω από τα άτομα. «Η έρευνα μας έχει ως στόχο να απεικονίσει το μικρόκοσμο με μεγάλη ακρίβεια έτσι ώστε όχι μόνο να μπορούμε να κατανοούμε ευκολά τις ιδιότητες καινούργιων υλικών, αλλά και να προβλέπουμε βάση των ιδιοτήτων τους το που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη μοντέρνα τεχνολογία. Τέτοιες δυνατότητες δεν προσφέρονται ολοκληρωμένες αυτή τη στιγμή στην επιστήμη», συμπληρώνει.

Ο Καθηγητής εξηγεί πως τα λέιζερ που χρησιμοποιεί στην ερευνά του είναι πολύ ισχυρά γιατί πρέπει να ασκήσουν ηλεκτρικές δυνάμεις στα ηλεκτρόνια που είναι συγκρίσιμες με τις δυνάμεις που τους ασκούν οι πυρήνες που τα κρατούν δέσμια μέσα στην ύλη. «Για να καταλάβετε πόσο ισχυρά είναι αυτά τα λέιζερ σκεφθείτε ότι η ισχύς τους υπερβαίνει κατά πολύ όλη την ηλεκτρική ισχύ της Ελλάδος για εκείνο το ελάχιστο χρονικό διάστημα που διαρκεί ο παλμός!», περιγράφει ο ίδιος.

Οι ισχυροί παλμοί λέιζερ υποχρεώνουν τα ηλεκτρόνια να γίνουν οι φωτογράφοι του χώρου γύρω τους. Οι εν λόγω φωτογραφίες έχουν ανάλυση λίγων δεκάδων πικομέτρων (περίπου 26), δηλαδή μερικών δισεκατομμυριοστών του χιλιοστού.

wikimedia commons

Επίτευγμα για το βιβλίο Γκίνες…

Η συμβολή του Wilhelm Röntgen στην επιστήμη άνοιξε αμέτρητες δυνατότητες, έσωσε αναρίθμητες ζωές και απέδειξε ότι δεν πρέπει να σταματάς στο «τι» αλλά να βρεις τις απαντήσεις στο «γιατί, πού, πότε και πώς;». Ακολουθώντας τα βήματα του μεγάλου επιστήμονα, το 2016 ο Έλληνας φυσικός της διασποράς είχε «ταράξει» και πάλι τα νερά της επιστήμης δημιουργώντας τους πιο βραχείς παλμούς φωτός και μετρώντας με αυτούς τον χρόνο που αντιδρούν στο φως τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται μέσα στα άτομα της ύλης. Το «φλας» που δημιούργησε «αναβόσβηνε» κάθε 380 δισεκατομμυριοστά του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου και καταγράφηκε στο βιβλίο Γκίνες. «Αυτοί οι παλμοί είναι το δεύτερο εργαλείο στο οποίο στηρίζεται το νέο μας εγχείρημα», παρεμβαίνει ο κ. Γουλιελμάκης

Λίγο καιρό αργότερα ο Έλληνας επιστήμονας δημιούργησε και μέτρησε το ταχύτερο ηλεκτρικό ρεύμα στο εσωτερικό ενός στερεού υλικού, χρησιμοποιώντας υπερταχείς παλμούς λέιζερ για να επιταχύνει τα ηλεκτρόνια του ρεύματος, ώστε να κάνουν οκτώ εκατομμύρια δισεκατομμυρίων ταλαντώσεις ανά δευτερόλεπτο, επιτυγχάνοντας έτσι ένα νέο ρεκόρ. Τελευταία πέτυχε ηλεκτρονιακό παλμό 53 αττοδευτερολέπτων που είναι ακόμη πιο σύντομος και από τους υψηλής ταχύτητας παλμούς του φωτός λέιζερ που στόχευσε τα ηλεκτρόνια για να τα απομακρύνει από μια μικροσκοπική μεταλλική ακίδα από βολφράμιο. Αυτός ο νέος ηλεκτρονιακός παλμός-ρεκόρ διαρκεί ίσα με το 1/5 του χρόνου που θα χρειαζόταν ένα ηλεκτρόνιο σε ένα άτομο υδρογόνου για να διαγράψει μια τροχιά πέριξ του πυρήνα του. Ουσιαστικά ο ερευνητής έδειξε ότι «μια λάμψη φωτός μπορεί να είναι μικρότερη από τον χρόνο που χρειάζεται το κύμα που μεταφέρει τη λάμψη για να εκτελέσει μια πλήρη ταλάντωση». 

«Ο συνδυασμός της αττοφυσικής με τη μικροσκόπια, ίσως φέρει μία καινούργια “επανάσταση” στην κούρσα κατάκτησης του μικρόκοσμου. Η μικροσκοπία δεν παύει ποτέ να εξελίσσεται. Ίσως δεν υπάρχει άλλο πεδίο στην επιστήμη που να έχει αποφέρει τόσα πολλά βραβεία Νόμπελ και ίσως όχι αδικαιολόγητα», εκτιμά ο καθηγητής.

Όση ώρα συνομιλώ μαζί του σκέφτομαι πως κάποιος που τον αντικρίζει για πρώτη φορά αντιλαμβάνεται αμέσως πως είναι Κρητικός. Τόσο το παρουσιαστικό του, όσο και η χαρακτηριστική του προφορά προδίδουν αμέσως τον τόπο καταγωγής του για τον οποίο είναι υπερήφανος. Ο ίδιος μου εξηγεί πως δεν αισθάνθηκε ποτέ “δυσφορία” στη χώρα του και πως στο εξωτερικό βρέθηκε ακολουθώντας το μονοπάτι της φυσικής. «Συνεχίζω να ακολουθώ το ίδιο μονοπάτι χωρίς να γνωρίζω που θα με πάει στο μέλλον. Ίσως με ξαναφέρει πίσω στην πατρίδα μας. Τίποτε δεν αποκλείω. Το ιδανικό θα ήταν βέβαια να γύριζα την προηγούμενη δεκαετία, αλλά ποτέ δεν ξέρεις», λέει ο ίδιος τονίζοντας πως ποτέ δεν αισθάνθηκε μειονεκτικά στο εξωτερικό και πως οι επιστημονικές βάσεις που απέκτησε από τις σπουδές του στη χώρα μας ήταν πολύ ισχυρές.

Και μπορεί να μην έχει αποφασίσει ακόμη αν θα επιστρέψει ή όχι στην Ελλάδα, έχει πάντα ενδιαφέρον για τα πεπραγμένα στην έρευνα και την παιδεία στην χώρα μας και θέλει να συνεισφέρει. Για αυτό και από τις αρχές της χρονιάς που διανύουμε αποτελεί μέλος του συμβουλίου διοίκησης του πανεπιστημίου των Ιωαννίνων: «Σκοπός μου είναι να προσφέρω μεταφέροντας τεχνογνωσία σε θέματα που σχετίζονται με τον ευρωπαϊκό τρόπο λειτουργίας των πανεπιστημιακών ιδρυμάτων και ερευνητικών κέντρο για να ξεπεράσουμε διαχρονικές αγκυλώσεις και να αρχίσουμε να βλέπουμε το μέλλον με θετικό τρόπο, να διεκδικούμε πράγματα και να μη λέμε ότι κάτι “δεν γίνεται”. Μας έχει κυριέψει μια μορφή “επιστημονικής κατάθλιψης” σε αυτή τη χώρα, ειδικά την τελευταία δεκαετία, και πρέπει να αρχίσουμε πάλι να αισιοδοξούμε».

Λίγα λόγια για τον Καθηγητή Ελευθέριο Γουλιελμάκη

Ο Ελευθέριος Γουλιελμάκης γεννήθηκε στο Ηράκλειο Κρήτης, αποφοίτησε από το Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Κρήτης και έλαβε το διδακτορικό του από το Πανεπιστήμιο του Μονάχου το 2005. Από το 2010 ήταν επικεφαλής της Ομάδας Αττοηλεκτρονικής του Εργαστηρίου Αττοφυσικής του Ινστιτούτου Κβαντικής Οπτικής Μαξ Πλανκ στο Γκάρχιγκ της Γερμανίας, ενώ σήμερα είναι καθηγητής Φυσικής στο Πανεπιστημίου του Ρόστοκ. Μεταξύ άλλων διακρίσεων, το 2007 τιμήθηκε με το βραβείο «Γ. Φωτεινού» της Ακαδημίας Αθηνών, το 2012 με το βραβείο «Γκούσταβ Χερτς» της Γερμανικής Φυσικής Εταιρείας και το 2015 με το βραβείο «Ρέντγκεν» του Πανεπιστημίου Γιούστους Λίμπιγκ του Γκίσεν.

Δείτε επίσης:

Ελληνο... κρητική συνεργασία για το ταχύτερο ηλεκτρονικό σήμα!

Διαβάστε περισσότερες ειδήσεις από την Κρήτη.