Polscy badacze pracują nad fundamentami technologii przyszłości

Centrum MagTop powstało w ramach programu Międzynarodowe Agendy Badawcze Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, finansowanego ze środków pochodzących z funduszy europejskich z programu Inteligentny Rozwój (POIR). Ośrodek współtworzą prof. dr hab. Tomasz Wojtowicz i światowej sławy materiałoznawca prof. dr hab. Tomasz Dietl, który pełni funkcję dyrektora MagTop.

O niewielu naukowcach mówi się, że stworzyli nową gałąź nauki. O panu mówi się, że stworzył spintronikę półprzewodnikową.

Prof. dr hab. Tomasz Dietl: Odkrycia przypisuje się jednej osobie bądź wąskiemu gronu, bo tak jest prościej. Do powstania spintroniki półprzewodnikowej przyczyniła się jednak bardzo duża grupa ludzi, a nie tylko profesorowie David Awschalom i Hideo Ohno, z którymi otrzymałem nagrodę Europejskiego Towarzystwa Fizycznego. Klasyczna spintronika, która wykorzystuje materiały metaliczne, jest już szeroko wykorzystywana w pamięciach magnetycznych, jak twarde dyski. Jej półprzewodnikowa odmiana ma zastosowania bardziej niszowe, np. w metrologii kwantowej, ale należy pamiętać, że sukces rynkowy pojawia się zwykle około 30 lat po odkryciach fizyków.

Wydaje się, że jest mało dziedzin tak dobrze rozpoznanych, jak magnetyzm. Czy jest tu jeszcze coś do odkrycia?

Magnetyzm jest jednym z pierwszych odkrytych przez ludzkość niezwykłych zjawisk, których zrozumienie wymagało rozwoju teorii kwantowej w pierwszych dekadach XX w. Chińczycy wykorzystywali kompas do nawigacji już tysiąc lat temu. Pierwsze silniki elektryczne pojawiły się w latach 30. XIX w., ale możliwość ich zastosowania w samochodach wiąże się z opracowaniem w ostatnich latach silniejszych magnesów. Magnetyczny zapis informacji też jest stosowany od dawna, bo nagrywanie głosu za pomocą nośników magnetycznych opracowano już na początku XX w. Postęp polega tutaj na nowych metodach odczytu i zapisu informacji, lepszych materiałach, co, łącznie z postępem miniaturyzacji, pozwala zapisać teraz kilkadziesiąt filmów na calowym krążku. 

Tylko że wraz z miniaturyzacją rośnie poziom komplikacji.

Który powoduje, że tempo miniaturyzacji spowalnia. Postęp, który mimo to obserwujemy, zawdzięczamy m.in. nowym materiałom (np. zastąpieniu tlenku krzemu tlenkiem hafnu), ale też rozszerzeniu typów nośników informacji. Obok elektronów wykorzystujemy fotony, czyli światło, a obok ładunku elektrycznego – moment magnetyczny, czyli spin elektronu, a także strumień pola magnetycznego. Duże możliwości wiążą się ze zmianami w architekturze komputerowej. Ta, z której korzystamy, została stworzona przez Johna von Neumanna w czasie II wojny światowej. W zasadzie nie zmieniono jej w fundamentalny sposób aż do dziś, choć wiemy, że mogą istnieć inne możliwe architektury oraz zasady wykonywania obliczeń, jak choćby w komputerach kwantowych. 

Ale czy rzeczywiście potrzebujemy coraz większych mocy obliczeniowych? 

Tak, nie tylko dla rozrywki, tj. lepszych gier i filmów, ale również do projektowania nowych materiałów czy leków lub skuteczniejszego przewidywania pogody. Wielkim wyzwaniem, wymagającym stosowania metod sztucznej inteligencji (uczenia maszynowego), stanowi twórcze wykorzystanie morza danych, jakie zgromadziliśmy i tworzymy, np. do zautomatyzowanej diagnozy w czasie rzeczywistym podczas badania metodami rezonansu magnetycznego czy ultrasonografii. 

W tym kontekście istotny problem to rosnący udział szeroko pojętych technologii informacyjno-komunikacyjnych, w tym centrów danych oraz kopalni bitcoinów, w globalnym zużyciu energii, sięgającym obecnie 5 proc. Jednym z kierunków postępu jest stworzenie urządzeń o takich samych mocach obliczeniowych i pamięciach, jak te wykorzystywane współcześnie w notebookach i telefonach, ale jednocześnie tak efektywnych, że mogłyby być zasilane światłem czy wszechobecnymi szumami elektromagnetycznymi. Drugi kierunek to rozwój wspomnianych komputerów kwantowych, które nie tylko byłyby wydajniejsze energetycznie, ale mogłyby rozwiązywać problemy, z którymi nie radzą sobie komputery klasyczne.

Co powoduje, że zbudowane dotychczas komputery kwantowe są zbyt małe do praktycznych zastosowań?

Stosunkowo niedawno odkryto, że możliwość opisu wielu zjawisk w urządzeniach elektronicznych pojęciami klasycznymi (np. równoczesny opis położenia elektronu i jego prędkości) wynika z faktu, że ewolucja kwantowa jest zaburzona przez wspomniane szumy elektromagnetyczne, pochodzące także od np. termicznych drgań atomów. Poszukujemy więc materiałów, w których nośniki informacji nie wchodzą w interakcje z otoczeniem i dzięki temu ich zachowanie jest kwantowe. I właśnie materiały topologiczne dają taką szansę.

Czym właściwie są materiały topologiczne?

Geometria mówi nam, jak obliczyć pole kwadratu, a jak trójkąta. Topologia to nauka, która zajmuje się właściwościami, które nie zależą od geometrii – z punktu widzenia topologii kwadrat, trójkąt i bułka są identyczne, ale obwarzanek już nie, bo z bułki nie można zrobić obwarzanka, nie niszcząc jej. Istotne jest to, że obwarzanek ma jedną dziurę, a bułka żadnej. Podobnie można spojrzeć na tzw. wstęgę Möbiusa. Zwykła wstęga to obręcz, a wstęga Möbiusa jest sklejona po przekręceniu i nie można z niej zrobić obręczy, więc – jak mówimy – należy do innej klasy topologicznej. 

Kiedy myślimy o zapisie informacji przy pomocy momentów magnetycznych, możemy wyobrazić sobie dwa stany: jeden, w którym te spiny [momenty pędu cząstek – red.]  układają się jak na obręczy, i drugi, w którym układają się jak na wstędze Möbiusa. Ten drugi układ jest dużo stabilniejszy, dzięki czemu zapis jest trwały nawet wtedy, gdy sam obiekt jest dużo mniejszy. Takie układy topologiczne mogą być nowym nośnikiem danych, ale mogą też służyć do przetwarzania informacji.

Istnieje także klasa materiałów, w których istnieją dodatkowe stany elektronowe na powierzchni, niezależnie od kształtu próbki, a więc mają charakter topologiczny. Ponieważ odkształcenie, wywołane np. termicznym ruchem atomów, nie wpływa na te stany, oddziałują one słabo z otoczeniem. Oznacza to, że możemy zbudować półprzewodnik, po którego powierzchni elektrony poruszają się niemal bez strat. To bardzo ciekawe z punktu widzenia zarówno zużycia energii, jak i budowy komputerów kwantowych.

Jak w takim razie przełożyć to na faktyczne zastosowanie?

Obiekty, które mają odpowiednie właściwości topologiczne i mogłyby stanowić nowy nośnik informacji w komputerach kwantowych, to tzw. fermiony Majorany. Fermionami są na przykład elektrony i pozytony. Majorana to włoski fizyk. Opracował on równanie, z którego wynikało, że mogą istnieć cząstki, które są swoimi własnymi antycząstkami. Chociaż nie znaleziono ich jako cząstek elementarnych, powinny one istnieć w pewnej klasie nadprzewodników jako obiekty topologiczne, a więc odporne na zaburzenia. Cząstek Majorany w nadprzewodnikach poszukuje kilkadziesiąt laboratoriów. Mamy sytuację podobną do wyścigu, jaki toczył się o znalezienie cząstki Higgsa.

Własności topologiczne mają już jednak praktyczne zastosowania, na przykład w metrologii. Dziś podstawowe jednostki miar są określane nie za pomocą fizycznych obiektów, ale za pomocą stałych fizycznych. Metr, sekunda czy kilogram są definiowane poprzez odwołanie się do m.in. prędkości światła, wartości ładunku elektronu czy stałej Plancka. Bezstratny ruch elektronów w stanach topologicznych powoduje, że w pewnych warunkach opór elektryczny zależy jedynie od stosunku stałej Plancka do kwadratu ładunku. W ten sposób, łącznie ze zjawiskiem Josephsona w złączach nadprzewodzących można zbudować wzorce jednostek elektrycznych (wolt, amper, om) oraz kilograma. 

Warto dodać, że postęp w metrologii, w tym dokładności pomiaru czasu, pozwala nam na określanie naszego położenia z dokładnością 10 m, wykorzystując zegary atomowe na satelitach GPS.

Gdybyśmy mieli spojrzeć 10 lat w przyszłość, gdzie znajdziemy materiały, nad którymi obecnie pracujecie w MagTop?

Chciałbym podać trzy przykłady, a zainteresowanych szerszą informacją odsyłam do strony internetowej, gdzie opisujemy szczegółowo ponad 25 osiągnięć. Po pierwsze, jesteśmy w wyścigu o znalezienie majoran dla potrzeb informatyki kwantowej. Poszukujemy ich w tzw. nanodrucie kwantowym. Wydaje się, że mamy technologię otrzymywania pewnej klasy nanodrutów, które dają o wiele większe szanse na znalezienie tych cząstek niż w materiałach dotychczas badanych.

Druga nowa rzecz, którą MagTop podejmuje, to wykorzystanie jako topologicznych nośników informacji wirów w nadprzewodnikach. W tej chwili grupa, która się tym zajmuje, jest w stanie kontrolować pojedyncze wiry. To bardzo ciekawe, bo tak skonstruowana elektronika działa w bardzo niskich temperaturach i jest obiecująca ze względu na oszczędności energii.

Współpracujemy z firmą, która specjalizuje się w czujnikach podczerwieni i wykorzystuje materiały, które w pewnych warunkach są topologiczne. Oni sami nie wykorzystują jak dotąd tych właściwości, ale wspólnie przygotowujemy ciekawy patent. Detektory podczerwieni wymagają schładzania. Tymczasem materiały, nad którymi pracujemy, mogą wykorzystywać zjawisko termoelektryczne do obniżania temperatury. Można więc zbudować czujnik, który jednocześnie wykrywa promieniowanie podczerwone i sam się chłodzi. I to może pojawić się najszybciej w produkcie rynkowym.

Czy w takie badania warto inwestować właśnie w Polsce?

Na całym świecie trwa poszukiwanie talentów. To globalny wyścig o to, kto zgromadzi u siebie więcej mądrych ludzi. Polska często takie talenty traciła. Temu trzeba przeciwdziałać na dwa sposoby. Po pierwsze przez stworzenie bardzo dobrych warunków do pracy dla polskich uczonych. Druga metoda to ściąganie talentów z zagranicy. Ideą Międzynarodowych Agend Badawczych było otworzyć polskie uczelnie i laboratoria na większą liczbę przybyszów z zagranicy. I to się powiodło, u nas pracują naukowcy z 13 krajów.

Program MAB ma także na celu zmiany metod zarządzania nauką. Decyzje o zatrudnianiu szefów grup podejmuje nie nasza instytucja ani Instytut Fizyki PAN, ale Międzynarodowy Komitet Naukowy, więc wybór dokonywany jest obiektywnie i wyłącznie w oparciu o kwalifikacje kandydatów.

Kolejną istotną kwestią jest przybliżenie nauki do przemysłu nowych technologii. Kluczowym elementem programu była konieczność nawiązania takiej współpracy i to w naszym przypadku się udało.

Istotne jest też, że programy MAB są rozpisane na wiele lat. To pozwala na stworzenie masy krytycznej naukowców, którzy zajmują się danym zagadnieniem, co na pewno zaowocuje w przyszłości.

Czy jednak mamy szansę skorzystać na takich badaniach, skoro dziś większość przemysłu wysokich technologii to koncerny amerykańskie albo japońskie?

Problem z tym związany dotyczy całej Europy. Oczywiście w mniejszym stopniu np. Niemiec, które mają wiele firm wysokiej technologii konkurujących na świecie. W naszym kraju pojawia się jednak coraz więcej przedsiębiorstw, które są do takiej konkurencji zdolne. Niedawno polska firma Scope Fluidics sprzedała swoją technologię do USA za 170 mln dol. Oczywiście nie mamy polskiego Samsunga, choć Korea Południowa jest podobnej wielkości do Polski, można by sobie więc wyobrazić, że powinniśmy mieć podobną firmę. Potrzebny jest ogromny wysiłek naukowców i inżynierów, by tę sytuację odwrócić, ale myślę, że Polska już dokonała ogromnego postępu i można patrzeć optymistycznie w przyszłość.

Program Międzynarodowe Agendy Badawcze jest realizowany przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej ze środków funduszy strukturalnych w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój (POIR) 2014–2020, Działanie 4.3. Międzynarodowe Agendy Badawcze.

Więcej o wynikach badań z polskich laboratoriów w raporcie pt. „Nauka w czasach przemian. Jak badania finansowane z Funduszy Europejskich pomagają chronić nas przed globalnymi zagrożeniami i wykorzystywać historyczne szanse”: www.fnp.org.pl