Sztuczne oświetlenie towarzyszy ludzkości od zarania dziejów. I od zarania dziejów jest ono zbliżone parametrami do światła, do którego nasze oczy są najbardziej przyzwyczajone – światła słonecznego. Zarówno ogień, jak i świece zawsze dawały nam ciepłe światło, podobnie jak wynaleziona przez Tomasza Edisona żarówka.

Niestety, żarówki Edisona nie są najbardziej wydajnymi źródłami oświetlenia, bo większość energii elektrycznej jest w nich przekształcana nie w światło, lecz w ciepło. Ponieważ sztuczne oświetlenie stanowi poważną część zapotrzebowania energetycznego ludzkości, rozpoczął się technologiczny wyścig o to, kto wynajdzie bardziej wydajne, a przy tym możliwie jak najbardziej naturalne źródła światła. Niestety, większość nowoczesnych technologii – jak żarówki halogenowe – daje światło, które określamy mianem zimnego. Od tych wad nie jest też wolna najnowocześniejsza obecnie technologia LED (wciąż nie wszystkie żarówki oparte na niej dają światło miłe dla oka). W kwestii źródeł oświetlenia wciąż nie powiedziano ostatniego słowa; swoją propozycję w tym zakresie mają również naukowcy z Instytutu Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych we Wrocławiu.

Pod nazwą wynalazku „źródło szerokopasmowego światła białego” kryje się materiał, który pod wpływem wiązki lasera emitującego światło podczerwone rozbłyska wspaniałym, jasnym i naturalnym światłem. Zjawisko wygląda wspaniale w zaciemnionym laboratorium, kiedy nagle w przestrzeni pojawia się niewielki, bardzo jasno świecący punkt (samej wiązki lasera nie widać, bo ludzkie oko nie odbiera światła o długości fali z zakresu podczerwieni). Najciekawsze jest to, że naukowcy nie są jeszcze w stanie zrozumieć do końca fizyki tego zjawiska. Przedstawiony przez nich model teoretyczny tłumaczy wiele jego aspektów zjawiska, ale nie wszystkie.

Jak mówi prof. Wiesław Stręk, kierownik zespołu pracującego nad wynalazkiem z INTiBS, powstał on niejako przez przypadek. – Zajmowaliśmy się badaniami dobrze znanego zjawiska upkonwersji (z ang. upconversion – red.), czyli procesu polegającego na transformacji fotonów – czyli cząstek światła – o niskiej energii w fotony o wysokiej energii. Przeprowadzaliśmy eksperymenty, w których wiązka lasera podczerwonego oświetlała materiały domieszkowane jonami metali ziem rzadkich, czyli lantanowców. Interesowało nas znalezienie odpowiedzi na pytanie, jaki jest wpływ stężenia domieszek na intensywność procesów upkonwersji – tłumaczy naukowiec. Na charakter tego zjawiska ma wpływ zarówno stężenie jonów domieszki, jak i względne odległości pomiędzy nimi w strukturze materiału.

Jednym z badanych materiałów był tlenek lantanu, do którego jako domieszka dodane były jony iterbu. Okazało się, że po przekroczeniu pewnej progowej wartości stężenia jonów iterbu materiał rozbłyska wspaniałym światłem.

Aby zrozumieć, co właściwie zachodzi wewnątrz badanego przez wrocławskich naukowców materiału, musimy sobie wyobrazić jego wnętrze, gdzie poszczególne atomy są upakowane jeden obok drugiego. W przypadku badanego we Wrocławiu materiału podstawowymi elementami są tlen i lantan, którego jony gdzieniegdzie zastępowane są iterbem. Upakowane obok siebie atomy tworzą sieć krystaliczną, w której mogą się wymieniać pojedynczymi elektronami. Kiedy foton z wiązki lasera podczerwonego padnie na jeden z elektronów krążących wokół tlenu, ten dostaje „kopa” i zaczyna rozrabiać. Przeskakuje wówczas na iterb, zmieniając jego stopień utlenienia; ważne jednak jest to, że wskakuje na wysoką, nienaturalną dla niego orbitę. Metaforycznie można powiedzieć, że elektron na niej się męczy, w związku z czym będzie się starał przeskoczyć na niższą. W trakcie tego zejścia emituje foton, tyle że tym razem jest to zupełnie inne niż podczerwone światło. W ten sposób, strzelając w materiał wiązką światła podczerwonego, zmuszamy go do emisji światła widzialnego. Następnie nasz elektron będzie chciał wrócić ze swojej przygody do domu, czyli z powrotem na atom tlenu. Jeśli znów padnie na niego foton z wiązki lasera, proces się powtórzy.

Największą zaletą opracowanego we Wrocławiu wynalazku jest to, że emitowane przez niego światło charakteryzuje najwyższa możliwa wartość współczynnika oddawania barw (ang. colour rendering index, CRI). Parametr ten, który może przyjąć wartość od 0 do 100, opisuje, jak wiernie oddawane są barwy przedmiotów oświetlonych przez dane źródło. Konsumenci znają go chociażby z opakowań domowych żarówek. Setka to Święty Graal wszystkich, którzy zajmują się oświetleniem, taką bowiem wartość ma światło słoneczne. Z punktu widzenia codziennych użytkowników sztucznego oświetlenia jest to bardzo pożądana cecha.

Naukowcy ostrzegają jednak przed nadmiernym optymizmem w kwestii komercjalizacji tego zjawiska. Konstrukcja źródła światła opartego na tym efekcie niesie ze sobą bowiem wiele wyzwań. Jednym z nich jest progowy charakter emisji. Przy niskiej mocy wiązki nie dzieje się nic – materiał nie świeci. Dopiero po przekroczeniu pewnej progowej mocy następuje gwałtowny rozbłysk. Być może dlatego zjawisko to umknęło dotychczas innym zespołom badającym procesy upkonwersji od lat 60.

– Istotną zaletą jest to, że mamy do czynienia ze zjawiskiem nieliniowym. Innymi słowy, intensywność emitowanego światła rośnie potęgowo (nawet o cztery rzędy wielkości) wraz ze wzrostem mocy lasera podczerwonego. Natomiast dla bardzo wysokich mocy lasera dalsze jej zwiększanie nie powoduje zwiększenia intensywności zjawiska, mamy do czynienia z efektem nasycenia – tłumaczy dr Łukasz Marciniak, który razem z dr. hab. Arturem Bednarkiewiczem oraz dr. hab. Dariuszem Hreniakiem tworzą zespół prowadzący badania nad wynalazkiem. To oznacza, że nie można w prosty sposób regulować natężenia oświetlenia zapewnianego przez wynalazek. W zależności od potencjalnych zastosowań wysoki próg mocy wzbudzenia może stanowić problem.

Naukowcy z PAN mówią, że na własny użytek przeprowadzali badania porównawcze oraz że przy obecnym stanie technologii jest ona porównywalna z tym, co zapewnia 60-watowa żarówka, przy znacznie mniejszym poborze mocy. Droga do żarówki wymagałaby jednak gigantycznych nakładów inwestycyjnych, związanych nie tylko z koniecznością przeprowadzenia dalszych badań porównawczych, ale też – w dalekiej przyszłości – na budowie całej linii produkcyjnej. Dlatego naukowcy mają nadzieję, że najpierw uda się zastosować wynalazek w jakiejś niszy typu reflektory samochodowe bądź oświetlenie specjalistyczne. Gdyby światło z Wrocławia zaczęło oświetlać cokolwiek – byłby to gigantyczny sukces polskiej nauki.