Technologię fal terahercowych mamy, szukamy chętnych je zastosować

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. Ośrodek prowadzi badania B+R skupione na podstawowych i aplikacyjnych aspektach zjawisk terahercowych. Są one współfinansowane przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej ze środków europejskich w ramach działania Międzynarodowe Agendy Badawcze.

Zainteresowania naukowe prof. Knapa obejmują fizykę półprzewodników w dalekiej podczerwieni (promieniowanie terahercowe), plazmonikę nanostruktur i materiałów dwuwymiarowych oraz zastosowania zjawisk kolektywnych (plazmony, magnony) do konstruowania nowych detektorów i generatorów promieniowania terahercowego. Dorobek naukowy prof. Knapa obejmuje  ponad 740 artykułów, które zostały zacytowane ponad 18500 razy. 

Jest też autorem lub współautorem licznych patentów. Pracował w  komitetach redakcyjnych czasopism "European Physical Journal - Applied Physics" oraz "Electronics MDPI", a także jako recenzent dla tytułów takich jak "Nature", "Applied Physics Letters" czy "Journal of Applied Physics". Za swoje 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.

Grzegorz Jasiński: W roku 2025 Nagroda FNP w obszarze III - nauki matematyczno-fizyczne i inżynierskie została przyznana: prof. Wojciechowi Knapowi z Instytutu Wysokich Ciśnień PAN i Laboratorium CENTERA w CEZAMAT Politechniki Warszawskiej za opracowanie nowych metod detekcji, wzmacniania i generowania fal terahercowych dla ultraszybkiej komunikacji bezprzewodowej. Panie profesorze, serdecznie gratuluję.

Prof. Wojciech Knap: Bardzo dziękuję, bardzo się też cieszę. Jestem zaszczycony i trochę speszony tą nagrodą, bo jest wielu znakomitych kolegów i akurat na mnie wypadło w tym roku. Bardzo się cieszę...

W tej decyzji jest wspomniana ultra szybka komunikacja bezprzewodowa i możliwość wykorzystania fal terahercowych w tym celu. Więc zapytam od razu, do czego nam się może przydać kolejny system komunikacji bezprzewodowej? Mamy różne takie systemy. Czemu akurat ten miałby być korzystny?

Cała tajemnica jest w szybkości przekazywania danych. Potrzebujemy coraz większej komunikacji, coraz większej ilości źródeł zbierania informacji, przekazywania nie tylko głosu, ale również obrazu. I to wymaga bardzo często przekazywania obrazu na bieżąco, w czasie realnym. I dotychczasowe sposoby przekazywania często są niewystarczające. Sami widzimy czasami, że połączenie internetowe, obraz nam się rwie i możemy tylko przekazać głos, a nie obraz. To właśnie z braku szybkości przekazywania danych. I teraherce są takimi falami, na których ten przekaz danych może być szybszy niż dotychczas używany. Dotychczas używany przekaz dzieje się bezprzewodowo na częstościach gigahercowych, czyli tysiąc razy mniejszych od terahercowych. Stąd im większa częstość, tym większa szybkość przekazywania danych.

Tutaj mamy do czynienia na przykład z Wi-Fi czy z popularnym Bluetooth. Te technologie to jest rejon dwóch i pół gigaherców...

Dokładnie tak. A chcielibyśmy, żeby to było dwieście gigaherców, trzysta gigaherców po to, żeby można było sto razy szybciej przekazywać dane.

Przekazywanie danych to jedno z możliwych zastosowań tej technologii, ale te fale terahercowe mogą mieć też wiele innych zastosowań i to bardzo interesujących.

Oczywiście mówi się popularnie, że te fale mają różne zastosowania. Główne na które w tej chwili może otworzy się rynek, to będzie może komunikacja, ale te fale mają również inne zastosowania, ponieważ one przenikają przez plastik, przez papier. Mogą służyć do wykrywania różnych biologicznych materii. Mogą służyć do kontroli bezpieczeństwa w listach czy na lotniskach, ale również do wykrywania defektów materii. One nie przechodzą przez wodę, nie przechodzą przez metal, ale przechodzą przez bardzo wiele innych ośrodków i są nieszkodliwe dla ludzi w odróżnieniu od promieniowania rentgenowskiego, które często jest używane do obrazowania. To bardzo ważna cecha właśnie, jeżeli chce się używać na co dzień.

A w diagnostyce medycznej też są szanse na jakieś wykorzystanie?

To jest najtrudniejszy obszar zastosowania fal terahercowych. Wielu uczonych poświęciło na to wiele czasu i nie ma dotychczas bardzo udokumentowanego użycia fal terahercowych. Ale prace trwają i w Cezamacie wraz z zespołem biomedycyny pracujemy właśnie nad możliwością zastosowania fal terahercowych do wykrywania złych komórek, które trzeba wykryć bardzo wcześnie po to, żeby zatrzymać chorobę.

Na czym polega "bezpieczeństwo" tych fal dla organizmu człowieka? Powiedział pan profesor o tej niższej energii, ale może powiedzmy to dokładnie.

Chodzi o to, że fale rentgenowskie, które są standardowo używane i są znakomite do obrazowania, te fale rentgenowskie czy promieniowanie X, jak czasami się o nich mówi, ono powoduje uszkodzenia atomów, powoduje uszkodzenia w związku z tym komórek. Dlatego, że energia fotonów używanych w falach rentgenowskich jest tak duża, że może wyrwać elektron z atomu. W ten sposób zmienia się wiązanie chemiczne i dlatego używanie bardzo długo napromieniowania typu rentgenowskiego jest szkodliwe. Tutaj energia pojedynczego fotonu jest w falach terahercowych tak mała, że ona jest absolutnie nieszkodliwa dla człowieka. Tu są milielektronowolty w porównaniu z elektronowoltami w promieniowaniu rentgenowskim. To różnica energii na poziomie trzech rzędów wielkości, czyli co najmniej tysiąc.

Na czym polega kluczowy problem z detekcją i generowaniem tych fal? To jest to, czym pan się zajmuje. Dlaczego to jest takie trudne?

Ta detekcja i generacja była znana już od bardzo wielu lat, natomiast była ona bardzo kosztowna, wymagała często bardzo niskich temperatur. Detektory zwykle pracowały w temperaturze minus dwieście, minus dwieście siedemdziesiąt stopni Celsjusza, żeby były czułe. W związku z tym główny problem fal terahercowych to jest znaleźć tanie i małe detektory i emitery tak, by tę technologię - znaną już jak mówię od wielu lat przez astronomów czy astrofizyków - można było przenieść do życia codziennego. I prace, które my wykonujemy, polegają na tym, żeby spróbować za pomocą tak znanych na świecie małych przyrządów jak tranzystory, móc detektować promieniowanie terahercowe, a może również generować promieniowanie terahercowe. To znaczy tak, żeby ta elektronika, która istnieje, która jest rozwinięta znakomicie w świecie, mogła być zastosowana do detekcji lub emitowania fal terahercowych i w związku z tym sprawiła, że ta technologia stanie się dostępna dla zwykłych śmiertelników w życiu codziennym. To jest główny problem i nad tym pracujemy od jakiegoś czasu.

Jaki jest stan tych prac w Polsce pod Pana kierunkiem? No i w związku z tym, jak blisko, a może wciąż daleko jesteśmy od praktycznych zastosowań?

W tej chwili są dość dobrze opracowane metody detekcji za pomocą małych tranzystorów i tranzystorów wykonanych z krzemu, czyli tych najtańszych, najłatwiejszych i możemy robić z nich już detektory wielopunktowe, to znaczy takie prawie jak kamery. Te prace są bardzo zaawansowane i właściwie jesteśmy w stanie już zrobić takie kamery. Szukamy najlepszych zastosowań do tego. Troszkę trudniej ze źródłami, ale też pierwsze źródła, używające właśnie technologię krzemową się pojawiły. W laboratorium Centera mamy już źródła i te detektory terahercowe, oparte na technologii krzemowej, czyli tej takiej właśnie najtańszej, najlepszej. I myślimy w tej chwili o praktycznych zastosowaniach tych technologii źródeł i detektorów do życia codziennego. I tu jest pewien problem, dlatego, że rynek czy przemysł nie jest do tego przygotowany. I nasz główny problem to znaleźć najlepsze zastosowanie, gdzie warto zainwestować czas, by stworzyć praktyczne demonstratory zastosowania. Taki jest stan w tej chwili.

A w laboratorium Państwo macie już możliwość jakiegoś takiego, mini zastosowania, przesłania informacji z pomocą tych generatorów i detektorów? Jakiegoś takiego, na najbardziej wstępnym poziomie udowodnienia, że ta technologia może się przydać...

Przesyłanie jest możliwe, akurat w laboratorium nie poświęcamy w tej chwili przesyłaniu bardzo dużo czasu, dlatego, że to jest takie zastosowanie najbardziej oczywiste, bo to jest zastosowanie; jeden detektor, jeden emiter, przesyłanie, modulowanie sygnału. Jest to w jakimś sensie łatwe technicznie. Sprawa polega na tym, żeby tylko generować sygnały o wystarczająco szybkiej modulacji. Nie ma problemów, nie ma ograniczeń. Problemem jest wizualizacja obiektów za pomocą fal terahercowych, dlatego, że wtedy, żeby ta wizualizacja była szybka, jeżeli będziemy używali jeden detektor, jeden emiter, to wizualizacja takiego przedmiotu wielkości koperty może trwać kilka minut, co jest praktycznie niemożliwe. To znaczy jest możliwe i my to robimy, natomiast jest niepraktyczne. Trzeba to robić szybko i wtedy trzeba robić zespoły detektorów i zespoły źródeł. I nad tym w tej chwili pracujemy. I mamy takie demonstratory już na przykład z czterema detektorami. Naszym celem jest mieć w najbliższych miesiącach do linijki 32-ch detektorów krzemowych, tak by można było zmniejszyć czas obrazowania i przyspieszyć wykrywanie defektów w materii, w różnych produktach przemysłowych. I to obrazowanie w tej chwili jest naszym głównym takim technicznym wyzwaniem, z którym w tej chwili się borykamy. Zrobienie mikroskopu, żeby oglądać komórki, kawałki, wycinki jakiejś biologicznej materii. Na tym koncentrują się nasze wysiłki. Ale mamy już najprostsze systemy dostępne w laboratorium i one działają.

Jeżeli słyszymy o prześwietlaniu listów, to oczywiście rozumiemy możliwość praktycznego zastosowania, żeby sprawdzać, czy nie ma tam czegoś niebezpiecznego...

Dokładnie.

Ale oczywiście natychmiast pojawi się też pytanie o to, czy z pomocą tej technologii nie można by na przykład podglądać treści tych listów, które są w kopercie. Czy jest takie ryzyko, czy to jest w ogóle możliwe w oparciu o te technologie?

Nie jestem pewny, czy jest możliwe. Cała nasza energia skupia się na wykrywaniu proszków w kopertach, dlatego, że wielkie zastosowanie teraherców zaczęło się wiele lat temu od właśnie wielkich problemów z przesyłaniem w kopertach węglika. Promieniowanie X nie mogło wykryć w kopertach tego proszku. Natomiast promieniowanie terahercowe może wykrywać. I mamy właśnie dowody na to, że te proszki, te substancje szkodliwe w kopertach możemy za pomocą obrazowania terahercowego wykrywać. Zresztą pierwszym naszym takim gotowym urządzeniem, które zostało zbudowane już wiele lat temu - a nie znalazło się na rynkach właśnie dlatego, że było za drogie, za duże - to był skaner pocztowy do szybkiego przeglądania listów. Niestety on używał technologii bardzo drogiej i nie udało nam się go wprowadzić na rynek. Mamy nadzieję, że teraz z krzemowymi elementami będziemy mogli zrobić skanery, które zabezpieczą przesyłki pocztowe. Nie widziałem nigdzie żadnych raportów, żeby za pomocą terahercowego była odczytywana zawartość listów. To raczej chodzi o substancje o różnym współczynniku przenikania i oczywiście mając proszek na papierze to jest znakomicie widoczne.

Pan Profesor wspomniał o doświadczeniach z astronomii, astrofizyki, gdzie tego typu promieniowanie jest badane. Czy te doświadczenia w jakiś sposób też mogą się przydać w Państwa pracy? Czy te detektory i te metody badania tego promieniowania w jakiś sposób też przenikają do tej sfery zastosowań takiego życia codziennego?

No niestety nie, dlatego, że po to, żeby obserwować wszechświat, używa się detektorów, które są schłodzone do minus dwustu stopni. One mają ekstremalne zdolności detekcji. Takie zdolności nie są potrzebne do tego, żeby badać defekty materii czy do komunikacji. W związku z tym zadowalamy się mniejszą wydajnością detektorów czy emiterów, natomiast wystarczającą do tego, żeby obrazować czy żeby przesyłać sygnały. Astrofizycy czy fizycy używają promienia terahercowego w jego formie takiej ekstremalnej po to, żeby szukać tajemnic materii. A my chcemy, żeby to promieniowanie terahercowe w życiu codziennym mogło być zastosowane właśnie do badania różnych rzeczy, na przykład świeżości produktów żywnościowych, jak na przykład badania właśnie w ambasadach czy w ministerstwach zawartości listów tam, gdzie jest niebezpieczeństwo. Czasami również mogą znajdować się w tych przesyłkach materiały wybuchowe. Niestety tak to w tej chwili jest. Więc to są takie pierwsze potrzeby, które chcielibyśmy jakoś zabezpieczyć właśnie za pomocą naszych demonstratorów.

A jeśli popatrzymy na tę sytuację, jaka jest w tej chwili optymistycznie, to kiedy pan profesor widzi możliwość pojawienia się pierwszych praktycznych, rzeczywiście już tańszych takich odpowiednich zastosowań? Czy to jest sprawa pięciu lat, dziesięciu, a może krócej?

Ja myślę, że to jest sprawa krótsza niż pięć lat i problem w tej chwili nie polega na braku detektorów czy emiterów. Problem polega na tym, że nie ma tak naprawdę rynku, to znaczy nie ma kogoś, kto byłby zainteresowany, kto mógłby zbadać wartość rynkową, ocenić skaner pocztowy, spróbować, zaryzykować, wprowadzić go na rynek. Takich przemysłowców nie ma w Polsce. Mieliśmy jednego we Włoszech, który to bardzo chciał, ale akurat reforma struktury przedsiębiorstwa spowodowała, że przestaje zajmować się produkcją skanerów pocztowych, to znaczy tych urządzeń, które rozdzielają listy na wielkich taśmach, w wielkich biurach pocztowych. Główny problem to czas, jaki będzie potrzebny do tego, żeby przekonać ludzi z przemysłu, że teraherce są przydatne, że mogą rozwiązać jakieś ich problemy. W związku z tym w tej chwili olbrzymi wysiłek idzie na to, żeby zrozumieć, jakie są problemy różnych działów przemysłu, przemysłu plastików czy przemysłu drzewnego na przykład. Bo te fale przechodzą również przez drewno i wykrywanie defektów w drewnie również jest za pomocą fal terahercowych możliwe. W związku z tym, odpowiadając krótko, to może być bardzo szybko, jeżeli tylko pojawi się klient, który by chciał zbadać czy wprowadzić na rynek jakieś zastosowania, bo elementy są gotowe i my jesteśmy gotowi je dostarczyć, przekazać. Mamy również patenty tak, że mamy nadzieję, że znajdziemy właśnie takie "killer application", które zostanie wprowadzone na rynek i pozwoli nam dalszy rozwój tej technologii.

A jeśli pojawiłoby się takie rozwiązanie, to czy Polska ma szansę być tutaj mocnym graczem ze względu właśnie na technologie, które Pan opracował, które są opatentowane? Czy możemy być takim zagłębiem tej technologii?

Istnieją wszelkie do tego przesłanki. Jest wystarczająca liczba znakomitych inżynierów i techników w Polsce, by takie przyrządy produkować dla Polski czy dla świata. W związku z tym nie ma najmniejszej wątpliwości, że jeśli tylko znajdziemy w Polsce, w Europie zamówienia na przyrządy wykorzystujące właśnie teraherce, w Polsce mamy wszystko do tego, żeby zbudować małe firmy, większe firmy, średnie firmy, które by produkowały serca takich terahercowych skanerów czy systemów komunikacji.

Tego zdecydowanie Panu Profesorowi i nam wszystkim w takim razie życzę. I jeszcze raz serdecznie gratuluję tej nagrody.

Bardzo dziękuję.