Nauka

Technologie, które zmienią świat

prof. Tomasz Dietl i prof. Tomasz Wojtowicz, fot. OneHD, Archiwum FNP prof. Tomasz Dietl i prof. Tomasz Wojtowicz, fot. OneHD, Archiwum FNP mat. pr.
O praktycznych korzyściach z poszukiwania nowych zjawisk topologicznych w fizyce materii skondensowanej rozmawiamy z prof. Tomaszem Dietlem, który wraz z prof. Tomaszem Wojtowiczem kieruje centrum badawczym MagTop.

OLAF SZEWCZYK: – Panie Profesorze, MagTop – Międzynarodowe Centrum Sprzężenia Magnetyzmu i Nadprze­wodnictwa z Materią Topologiczną – jest jednym z 14 działających w Polsce ośrodków w ramach programu Między­narodowe Agendy Badawcze Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. Są one postrze­gane jako ośrodki elitarne, z którymi wiązane są duże nadzieje. Na czym polega wyjątkowość prowadzonej przez pana placówki naukowej?

PROF. TOMASZ DIETL: – Każdego dnia pojawia się nowy zasób informacji, który odpowiada trzem pełnometrażo­wym filmom 3D na osobę. I ten przy­rost rośnie wykładniczo – podwaja się co cztery lata. Obecnie wytwarzanie, zapisywanie, przesyłanie, odczytywanie i przetwarzanie informacji pochłania ok. 4 proc. globalnego zużycia energii. Jeśli więc chce się panować nad zale­wem informacji, to w tym samym tem­pie należy zwiększać szybkość urządzeń technologii informacyjno-komunikacyjnych oraz obniżać ich energochłonność na jednostkę informacji. Przez ostatnie pół wieku udawało się to dzięki minia­turyzacji. W dyskach magnetycznych, wypełniających wielkie hale centrów danych, obszary o przeciwnym kierun­ku namagnesowania – kodujące bit 0 lub 1 – mają teraz rozmiar dziesięciokrotnie mniejszy niż średnica przekroju wirusa SARS-CoV-2. Miniaturyzacja ma oczy­wiście swoje granice. Dla przykładu, gdy obszar komórki pamięci jest zbyt mały, termiczne drgania atomów mogą w niekontrolowany sposób zmienić war­tość bitu. Równocześnie te zaburzenia utrudniają budowę wydajnych kom­puterów kwantowych, w których bitem – tu kubitem – byłby kierunek momentu magnetycznego pojedynczego atomu lub elektronu.

W ośrodku MagTop Instytutu Fizyki PAN, którym kieruję z prof. Tomaszem Wojtowiczem, poszukujemy nowych zjawisk topologicznych w fizyce ma­terii skondensowanej. Przypomnijmy – geometria mówi nam, jak właściwości brył zależą od ich kształtu, w topologii interesują nas te cechy, które od niego nie zależą. Na przykład obwarzanek ma jeden otwór bez względu na to, czy ma obwiednię kwadratową, czy kulistą, ale nie jest równoważny zwykłej bułce, która nie ma żadnego. Podobnie obręcz, która powstaje ze sklejenia paska papieru, nie jest równoważna wstędze Mobiusa, którą otrzymujemy, gdy przed sklejeniem je­den koniec paska obrócimy o 180 stopni.

Okazuje się, że topologia odgrywa ogromną rolę w materiałach zbudowa­nych z pierwiastków ciężkich, takich jak platyna czy rtęć. Silne pole elektryczne jąder tych atomów jest źródłem dużej prędkości elektronów, na tyle bliskiej prędkości światła, że obowiązuje teoria względności: pole elektryczne jawi się jako pole magnetyczne skierowane pro­stopadle do kierunku ruchu elektronu, a relatywistyczny wzrost masy elektronu obniża jego energię. Pierwsze zjawisko powoduje, że w materiałach magnetycz­nych ułożenie kierunków momentów magnetycznych może mieć charakter wstęgi Mobiusa, a ściślej: postać zapro­ponowaną przez Tony’ego Skyrme’a, rodzaj wytarmoszonego jeża, tzw. skyr­mionu. Takie topologicznie nietrywial­ne rozmaitości są dużo odporniejsze na termiczne drgania atomów – nazywa­my to ochroną topologiczną, która daje szansę na dalsze zwiększanie gęstości zapisu informacji.

W obszarze zainteresowań MagTopu są dziedziny badań uważane za szcze­gólnie obiecujące. Przykładowo, nadprzewodnictwo, o którym czasem piszą w tonie nadziei nawet niespecja­listyczne media masowe. Nadprzewod­nik zachowujący swoje właściwości fizyczne w temperaturze pokojowej uważany jest bowiem za Graala fizyki materii skondensowanej. Czy MagTop prowadzi prace badawcze w tym kierunku?

Rzeczywiście, nadprzewodniki, do­mena prof. Andrzeja Wiśniewskiego z MagTopu, są niezwykle ciekawą grupą materiałów, w których prawa mechani­ki kwantowej ukazują się w makroskali. Nadprzewodnictwo to znikanie oporu elektrycznego. Bardzo byśmy chcieli, żeby to zjawisko istniało także w tem­peraturze pokojowej, bo nie byłoby strat przy przesyłaniu prądu oraz w silnikach elektrycznych. Jednak mimo że nie mamy nadprzewodników pracujących w temperaturze pokojowej, nadprze­wodnictwo już dziś jest wykorzystywa­ne bardzo szeroko. Przykładowo, obra­zowanie rezonansem magnetycznym w szpitalach wykorzystuje magnesy nadprzewodzące, które pracują w tem­peraturach około pięciu stopni powyżej zera bezwzględnego. Dzięki temu można wytwarzać silne pole magnetyczne. Tak­że w urządzeniach naukowych – na przy­kład w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN-ie magnesy nadprzewodzące wypełniające kołowy tunel o obwodzie 27 km sterują ruchem zderzających się wiązek protonów.

W MagTopie nie poszukujemy nowych nadprzewodników wysokotemperaturo­wych. Interesują nas natomiast nowe zja­wiska wynikające z połączenia właści­wości topologicznych, magnetycznych i nadprzewodzących. Materiały i nano­struktury łączące w sobie te właściwo­ści wytwarzane są w Laboratorium Epi­taksji z Wiązek Molekularnych (MBE), zbudowanym w Instytucie Fizyki przez prof. Wojtowicza i jego młodszego współ­pracownika z MagTopu, dr. Tomasza Woj­ciechowskiego, a także na Uniwersytecie Rzeszowskim, we współpracy z grupą dr. Michała Marchewki.

MagTop deklaruje, że materiały, nad którymi pracuje, mogą być wyko­rzystane w informatyce kwantowej. Na co możemy liczyć?

Najciekawszym nowym zastosowa­niem nadprzewodników jest wykorzy­stywanie ich w komputerach kwanto­wych. Komputery kwantowe już istnieją, w małej, laboratoryjnej skali, i pracują w temperaturach kilkunastu tysięcznych stopnia powyżej zera bezwzględnego. Wykonują obliczenia według zasad me­chaniki kwantowej, różnych od praw fi­zyki klasycznej, w związku z czym pewne zadania mogą wykonać nieporównywal­nie szybciej. Otóż głównym problemem powodującym, że rozwój informatyki kwantowej nie postępuje tak szybko, jak byśmy chcieli, jest to, że niezawod­ność maleje wraz z mocą obliczeniową – liczbą kubitów. Kwantowy proces ob­liczeniowy jest bowiem bardzo podat­ny na zakłócenia płynące z zewnątrz – na przykład związane z termicznym ruchem atomów, a także z coraz gęst­szym smogiem elektromagnetycznym z naszych urządzeń bezprzewodowych. I tu nowe perspektywy otwierają nad­przewodniki topologiczne, w których na krawędziach pojawiają się chronione topologicznie stany elektronowe. Mają one charakter hipotetycznych cząstek rozważanych przez fizyka Ettorę Majo­ranę ponad 80 lat temu, a jak się okazuje dzisiaj, stanowiących bardzo obiecujący kubit – nośnik informacji kwantowej.

Archana Mishra z Indii, która pracuje w MagTopie pod kierunkiem Mircei Trifa z Rumunii i Timo Hyarta z Finlandii, po­kazuje teoretycznie, że w nadprzewod­niku, na którego powierzchni znajduje się łańcuch atomów magnetycznych, poza majoranami powstaje inny bar­dzo obiecujący kubit. Z kolei doktorant MagTopu Grzegorz Mazur i inni odkryli doświadczalnie oraz opisali teoretycz­nie nowy obiekt topologiczny na granicy zwykłego metalu, tj. srebra i topologicz­nego izolatora krystalicznego – to klasa materiałów odkryta doświadczalnie w Instytucie Fizyki PAN przez grupę prof. Tomasza Storego, który obecnie współtworzy MagTop.

Czy możemy założyć, że potencjał komputerów kwantowych pozwoli rozwinąć w najbliższych dekadach sztuczną inteligencję do punktu przełomu, zwanego osobliwością? Punktu, po przekroczeniu którego postęp naukowy i technologiczny niebywale przyspieszy?

Można oczekiwać, że już w najbliż­szych pięciu latach moc komputerów kwantowych wzrośnie na tyle, że będą rozwiązywały zagadnienia niewykonalne komputerami klasycznymi. Nowe me­tody obliczeniowe przyspieszą rozwój sztucznej inteligencji, co może okazać się jednym z wielkich przełomów w historii ludzkości o ogromnych konsekwencjach etycznych, społecznych i politycznych. Ograniczając się do zagadnień, o których mówimy, bardzo interesującym obszarem wykorzystania sztucznej inteligencji jest projektowanie nowych materiałów o zada­nej użyteczności, np. przy projektowaniu szczepionek przeciw różnym chorobom. Ogromną rolę odegrają tu komputery kwantowe, bo właściwości związków che­micznych i ich kombinacji są w dużej mie­rze określane przez mechanikę kwantową, na co już zwrócił uwagę twórca idei kom­puterów kwantowych Richard Feynman. A przecież właśnie pojawianie się nowych materiałów w znaczącej mierze decyduje o postępie technologicznym.

Jakie jeszcze badania prowadzi obecnie MagTop?

Materiały topologiczne są obecne w detektorach podczerwieni – do budowy kamer termowizyjnych i w urządzeniach termoelektrycznych, czyli wykorzystujących zjawisko pojawiania się napięcia przy różnicy temperatur. Na przykład w samochodzie, gdzie powstaje nadmiarowe ciepło można będzie odzyskiwać tę energię w postaci prądu elektrycznego, by znów zasilała silnik. W jaki sposób wykorzystać właściwości topologiczne do lepszego przetwarzania fal elektromagnetycznych i ciepła w prąd to także przedmiot badań MagTopu.

Przypomnijmy, że jedną z idei programu MAB jest polepszenie współpracy nauki z przemysłem. Obecnie między pomysłem a produktem mija średnio 30 lat i wszyscy marzą, by ten czas skrócić. W tym celu MagTop nawiązał współpracę z kilkoma znaczącymi polskimi producentami. Z VIGO System, światowej klasy wytwórcą detektorów podczerwieni, współpracujemy na poziomie charakteryzacji materiałów i obliczeń teoretycznych przydatnych do projektowania detektorów o wyższej czułości. Mamy nadzieję, że z czasem z naszej współpracy wyniknie nowy produkt.

Z kolei PREVAC specjalizuje się z dużym sukcesem w urządzeniach wymagających ultrawysokiej próżni – np. w laboratorium berlińskim pracuje aparatura PREVACa o wartości 60 mln euro. Nasze badania pozwalają na testowanie nowej oferty tej firmy oraz proponowanie rozwiązań, które może wprowadzić w swoich produktach. Dotyczy to również innych firm, z którymi MagTop współpracuje; firmy MeasLine, specjalizującej się w projektowaniu i wytwarzaniu systemów i aparatury do nietypowych zastosowań oraz firmy KRIOSYSTEM, wytwarzającej zaawansowane technologicznie urządzenia i instalacje kriogeniczne.

Firma PUREMAT Technologies specjalizuje się w produkcji najczystszych pierwiastków. Mangan i magnez kupuje od niej cały świat. Naszą rolą jest pomoc w testowaniu czystości materiałów i opracowywaniu metod, by produkować je jeszcze bardziej czyste.

Rozmawiał: Olaf Szewczyk

***

Prof. Tomasz Dietl – specjalista w dziedzinie fizyki materii skondensowanej i nanotechnologii, kierownik Międzynarodowego Centrum Sprzężenia Magnetyzmu i Nadprzewodnictwa z Materią Topologiczną - MagTop w Instytucie Fizyki PAN w Warszawie oraz profesor w Zaawansowanym Instytucie Badań Materiałowych na Uniwersytecie Tohoku w Japonii. Laureat Nagrody Europejskiego Towarzystwa Fizycznego Agilent Europhysics Prize oraz Nagrody Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.

Prof. Tomasz Wojtowicz – fizyk eksperymentalny, specjalista w dziedzinie fizyki półprzewodników oraz technologii wzrostu nanostruktur metodą epitaksji z wiązek molekularnych (MBE). Lider Grupy MBE w ośrodku MagTop i zastępca kierownika projektu. Laureat Nagrody Ministra Nauki 2013 za wybitne osiągnięcia naukowe w kategorii badań podstawowych. Współautor ponad 500 prac naukowych z dziedziny fizyki półprzewodników.

Realizowany przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej program Międzynarodowe Agendy Badawcze jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego ze środków pochodzących z Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój.

.mat. pr..

Polityka 24.2021 (3316) z dnia 08.06.2021; Nauka i cywilizacja; s. 79
Reklama

Codzienny newsletter „Polityki”. Tylko ważne tematy

Na podany adres wysłaliśmy wiadomość potwierdzającą.
By dokończyć proces sprawdź swoją skrzynkę pocztową i kliknij zawarty w niej link.

Informacja o RODO

Polityka RODO

  • Informujemy, że administratorem danych osobowych jest Polityka Sp. z o.o. SKA z siedzibą w Warszawie 02-309, przy ul. Słupeckiej 6. Przetwarzamy Twoje dane w celu wysyłki newslettera (podstawa przetwarzania danych to konieczność przetwarzania danych w celu realizacji umowy).
  • Twoje dane będą przetwarzane do chwili ew. rezygnacji z otrzymywania newslettera, a po tym czasie mogą być przetwarzane przez okres przedawnienia ewentualnych roszczeń.
  • Podanie przez Ciebie danych jest dobrowolne, ale konieczne do tego, żeby zamówić nasz newsletter.
  • Masz prawo do żądania dostępu do swoich danych osobowych, ich sprostowania, usunięcia lub ograniczenia przetwarzania, a także prawo wniesienia sprzeciwu wobec przetwarzania, a także prawo do przenoszenia swoich danych oraz wniesienia skargi do organu nadzorczego.

Czytaj także

Kraj

Grzechy główne biskupów

Episkopat Polski. 99 czynnych biskupów. W październiku pojadą do Watykanu zdać papieżowi Franciszkowi relację z sytuacji w kraju. Czy wrócą z dymisjami? Czy też opleceni wspólnotą interesów i omertą przetrwają i ten kryzys?

Katarzyna Kaczorowska, Joanna Podgórska
18.06.2021
Reklama