Prof. Knapa nagrodzono za opracowanie nowych metod detekcji, wzmacniania i generowania fal terahercowych dla ultraszybkiej komunikacji bezprzewodowej.

Prof. Wojciech Knap jest jednym ze światowych liderów w badaniach nad plazmoniką terahercową – dziedziną łączącą fizykę półprzewodników, optoelektronikę i nanotechnologię.

Fale terahercowe (THz), znajdujące się pomiędzy mikrofalami a podczerwienią, jeszcze do niedawna pozostawały niemal nieosiągalne dla inżynierów, choć astronomowie od dawna wykorzystywali je do obserwacji odległych zakątków Wszechświata. Prace prof. Wojciecha Knapa i jego zespołu mają na celu otworzenie drogi do ich praktycznego zastosowania w „ziemskich” technologiach przyszłości. Obecnie promieniowanie terahercowe jest jednym z najbardziej perspektywicznych obszarów fizyki i inżynierii materiałowej.

Fale terahercowe mają niezwykłe właściwości. Przenikają przez papier, tkaniny, plastik czy drewno, ale zatrzymują się na metalach i wodzie. Nie są szkodliwe dla ludzi, dlatego można je wykorzystywać w diagnostyce medycznej czy skanowaniu produktów przemysłowych – bez potrzeby używania promieniowania rentgenowskiego. Co więcej, fale THz mogą przenosić znacznie większe ilości danych niż te wykorzystywane obecne w sieciach 4G, a przyszłe generacje łączności – bezprzewodowe sieci 5G i 6G – będą wykorzystywać je jako nośnik informacji. Dzięki temu możliwe stanie się przesyłanie ogromnych ilości danych w czasie niemal rzeczywistym, co z pewnością zrewolucjonizuje zarówno przemysł, medycynę, transport, jak i samą telekomunikację.

Badania laureata doprowadziły do opracowania nowych sposobów odbierania fal terahercowych. Udało się to dzięki wykorzystaniu specjalnych tranzystorów – małych elementów elektronicznych, w których elektrony zamknięte w małej objętości oscylują wyjątkowo szybko, tworząc tzw. terahercowe fale plazmowe dwuwymiarowego gazu elektronowego. W praktyce oznacza to, że naukowiec znalazł sposób, jak wykorzystać te ultraszybkie tranzystory do efektywnego odbioru fal THz. Obecnie trwają prace nad wykorzystaniem tych samych tranzystorów do wzmocnienia i generacji promieniowania THz.

Prof. Knap (wspólnie z grupą badaczy z Tohoku University w Japonii) wykazał również, że fale terahercowe można wzmacniać w temperaturze pokojowej za pomocą specjalnie zaprojektowanych nanostruktur grafenowych. To przełom, bo do tej pory uważano, że takie efekty można osiągnąć jedynie w temperaturach kriogenicznych (ich umowna granica to poniżej minus 150 stopni Celsjusza). Grafen, materiał zbudowany z pojedynczej warstwy atomów węgla, ma wyjątkowe właściwości elektryczne. W strukturach badanych przez zespół prof. Wojciecha Knapa udało się pobudzić zjawisko tzw. oscylacji plazmonowych, czyli fal elektronowych, które mogą wzmacniać promieniowanie THz. Dzięki temu możliwe stało się rozpoczęcie prac nad stworzeniem nowej generacji wzmacniaczy THz sterowanych napięciem – urządzeń szybkich, energooszczędnych i kompaktowych.

Jednym z głównych ośrodków na świecie, w których rozwijana jest fizyka terahercowa, jest Centrum Badań i Zastosowań Technologii Terahercowych CENTERA w Warszawie. Powstało ono z inicjatywy prof. Wojciecha Knapa najpierw w Instytucie Wysokich Ciśnień PAN, a obecnie działa w ramach CEZAMAT-u na Politechnice Warszawskiej i jest współfinansowane w ramach programu Międzynarodowe Agendy Badawcze Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. CENTERA prowadzi interdyscyplinarne badania nad zastosowaniem metod generowania, emisji i detekcji fal THz.

Badania laureata są jednym z fundamentów rozwoju technologii terahercowych na świecie – zarówno na poziomie podstawowej fizyki materii skondensowanej, jak i praktycznych zastosowań, w tym zwłaszcza ultraszybkiej komunikacji bezprzewodowej.

***

Wojciech Knap ukończył fizykę na Uniwersytecie Warszawskim w 1979 roku, a sześć lat później obronił doktorat dotyczący półprzewodników pracujących w zakresie terahercowym. Po kilku latach pracy na macierzystej uczelni wyjechał do Francji, gdzie związał się z Uniwersytetem w Montpellier, a następnie Laboratorium Wysokich Pól Magnetycznych w Grenoble i Laboratorium Impulsowych Pól Magnetycznych w Toulouse. Doświadczenie międzynarodowe zdobywał m.in. jako visiting researcher na Politechnice Rensselaer w Troy (USA) oraz na Uniwersytecie Tohoku w Sendai (Japonia). W 1992 roku został profesorem i dyrektorem ds. badań Francuskiego Narodowego Centrum Badań Naukowych (CNRS) w Montpellier, a od 2005 roku kierował grupą badawczą pracującą nad technologiami terahercowymi w tamtejszym Laboratorium Charlesa Coulomba. W 2013 roku uzyskał tytuł profesora w Polsce.

Od 2013 roku jest związany z Instytutem Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk, gdzie utworzył Laboratorium Promieniowania Terahercowego. Tam też w 2018 roku uruchomił Centrum Badań i Zastosowań Terahercowych CENTERA, a w 2023 otworzył CENTERA 2 na Politechnice Warszawskiej.

Dorobek naukowy prof. Knapa obejmuje ponad 740 artykułów, które zostały zacytowane ponad 18,5 tys. razy. Jest też autorem lub współautorem licznych patentów. Był pomysłodawcą i koordynatorem międzynarodowych sieci badawczych poświęconych fizyce promieniowania terahercowego, m.in. GDR we Francji oraz TERAMIR (Francja-Polska-Rosja). Z jego inicjatywy powstało również przedsiębiorstwo typu spin-off „Terakalis”, wdrażające technologie terahercowe do zastosowań przemysłowych. W 2022 roku jego projekt TERAPLASM został wyróżniony przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych jednym z najbardziej prestiżowych grantów w Europie – ERC Advanced Grant.

Za osiągnięcia badawcze otrzymał wiele wyróżnień we Francji, Polsce i Japonii, a także stypendia naukowe Uniwersytetu Tohoku i Instytutu RIKEN w Japonii. Był laureatem programu TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. (PAP)

ekr/ zan/