Špičková věda se dá dělat i s obyčejným bramborovým škrobem. K takovému zjištění dospěli fyzikové z Vysokého učení technického v Brně a Univerzity Palackého v Olomouci, kteří zkoumali optické vlastnosti zrn bramborového škrobu. Zjistili, že škrobové zrno díky své unikátní struktuře funguje jako mikročočka, která dokáže optický svazek současně zaostřit, změnit jeho polarizaci a roztočit ho do světelného víru. Z fyzikálního hlediska tak škrob provádí spin-orbitální konverzi světla, dosud možnou jen s pokročilými nanotechnologiemi. Objevený mechanismus rozšiřuje možnosti pro ovládání světla a je využitelný pro senzory nové generace, přenos informace nebo kvantové počítače.
„Náš zájem o škrob vzbudily běžně dostupné snímky z polarizačního mikroskopu, ve kterých obrazy jednotlivých zrn připomínají svým tvarem Maltézský kříž. Už dlouho se ví, že tyto obrazce vznikají
v důsledku zvláštního vnitřního uspořádání škrobových zrn. My jsme se ale zaměřili na plnou optickou odezvu těchto zrn a tušili jsme, že může souviset s originálním způsobem změny polarizační rotace elektrického pole na vířivý pohyb elektromagnetické energie. V optické terminologii tato interakce představuje změnu spinu světla na jeho orbitální moment hybnosti a je v současnosti široce studována a využívána v klasické i kvantové fyzice,“ vzpomíná fyzik z VUT Petr Bouchal, který výzkum inicioval.
„Cesta k potvrzení našich představ nebyla jednoduchá. Pro plné pochopení efektů bylo nutné provést optický popis vnitřní struktury škrobového zrna. Tu tvoří přibližně kulovité slupky, jako má například cibule, které ale obsahují pravidelně uspořádané a radiálně orientované lamely. Zrno ovlivňuje světlo zvláštním způsobem. Mění optickou dráhu světla podobně jako běžná čočka, navíc ho ale tvaruje díky efektům souvisejícím se změnou polarizačního stavu světla způsobenou lamelami mířícími do středu zrna. Experimentálně prokázat souhru obou současně probíhajících efektů bylo mimořádně náročné,“ dodává Bouchal, který spolu s Radimem Chmelíkem stojí za návrhy speciálních, dříve patentovaných mikroskopů užitých v měřeních.
„Dobré porozumění interakci světla se škrobovými zrny a její věrohodný popis prokázaly možnost určit polarizační stav světla dopadajícího na zrno přímo z fokální stopy, kterou zachytí běžný detektor. Tento jednoduchý, přitom spolehlivý způsob polarizačního měření jsme experimentálně ověřili, a dokonce se pokusili o konstrukci originálního senzoru, který současně měří tvar vlnoplochy i polarizační stav světla, proměnný v jednotlivých místech vlnoplochy. Přestože tvarová nesourodost přírodních škrobových zrn znemožnila provedení experimentů v původně zamýšleném rozsahu, funkční princip senzoru se podařilo jednoznačně prokázat,“ doplňuje fyzik Petr Viewegh, který se na těchto experimentech podílel s kolegou Petrem Liškou.
„Současné snímání vlnoplochy i prostorově proměnné polarizace světla je aplikačně významné a je výzvou pro další výzkum. Rutinní měření by vyžadovalo vytvořit rozsáhlou matici ze zrn téměř identických parametrů, což s přírodním škrobem není možné. Schůdnou cestou je ale vytvoření umělé struktury, která dokonalejším způsobem napodobí optickou odezvu škrobových zrn,“ věří Viewegh, který se přípravě takových materiálů věnuje.
K výzkumu vědců z Fakulty strojního inženýrství a CEITECu VUT Petru Bouchalovi, Petru Vieweghovi, Petru Liškovi a Radimu Chmelíkovi se připojil Zdeněk Bouchal z Univerzity Palackého v Olomouci, který vytvořil teoretický rámec experimentů a provedl potřebné výpočty. Výsledkem spolupráce je článek v prestižním časopise Advanced Optical Materials s názvem Spin-Orbit Photonics with Potato Starch Lenses.
Výzkum přírodních škrobových zrn ukazuje, jak dokonalé nástroje a struktury má příroda k dispozici. „Důmyslné optické efekty, které náš výzkum odhalil, se neomezují jen na zkoumaný škrob, ale jsou vlastní široké škále struktur známých jako sferulity. Spin-orbitální efekty, které jsme teoreticky prozkoumali a experimentálně krok za krokem ověřili, jsou příslibem pro návrh nových optických součástek, senzorů a fotonických čipů a otevírají cestu k uplatnění v diagnostice materiálů nebo optických komunikacích,“ uzavírá Bouchal.