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.