Altermagnetismus by mohl znamenat revoluci například v ukládání dat na paměťová média. Nový typ magnetismu předpověděli vědci z pražského Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR spolu s kolegy z Gutenbergovy univerzity v Mohuči. Plzeňský tým se pak podílel náročnými výpočty, které vedly k jeho potvrzení.
O jaký objev se vlastně jedná?
Je tomu téměř sto let, kdy byla zformulována zcela nová fyzika, tzv. kvantová mechanika, která popisuje, jak se chová mikroskopický svět, atomy a jednotlivé částice. Její zákonitosti jsou úplně jiné, než známe z klasické mechaniky. Elektron například je současně vlnou i částicí, která ale prochází současně dvěma otvory atd. Je v tom spousta podivností. Ale bralo se to tak, že se to týká jen toho mikroskopického světa. Postupně však věda začala objevovat efekty této nové fyziky, které se projevují i v podstatně větších měřítkách.
Co si pod tím představit?
Typickým jevem takového typu je supravodivost – proud teče určitými materiály za určitých okolností prakticky bez jakéhokoli odporu. Objevena byla při velmi nízkých teplotách, ale dnes už se daří zvyšovat teplotu, při níž to funguje. Vedlejším efektem je, že magnetické pole je jakoby vytlačováno ze supravodiče. Toho lze využít třeba u vlaků, které se pohybují tak, že levitují v magnetickém poli několik centimetrů nad zemí.
Dosahování velmi vysokých magnetických polí (například při využití nukleární magnetické rezonance ve zdravotnictví) je u supravodivých materiálů možné. Dnes je již známo mnoho čistě kvantových efektů u speciálně vytvářených materiálů. Takovým materiálům se říká kvantové materiály, protože u nich mohou mít kvantové efekty technologicky využitelné projevy. Příkladem je i nově objevený altermagnetismus.
Lze ho popsat nějak jednoduše?
Lidstvo zná už dávno magnetismus a magnetické materiály. Podstatou je, že atomy v krystalové mřížce jsou uspořádány svým severním pólem v jednom směru a podobně jako železo jsou přitahovány k magnetu. Zhruba před sto lety vědci objevili druhý typ magnetismu – takzvaný antiferomagnetismus. Některé látky, které se jeví jako nemagnetické, mají atomy s póly uspořádanými střídavě, takže se navzájem vyruší a jejich uplatnění v technice je problematické. Třetí typ, který se nyní podařilo prokázat, je altermagnetismus. Slovy Tomáše Jungwirtha z Fyzikálního ústavu Akademie věd, který za objevem stojí, altermagnety kombinují přednosti feromagnetů a antiferomagnetů.
A jak lze takový objev využít?
Dnes má možná daleko k praktickému využití, ale je v něm velký vědecký potenciál a možnosti zkoumání. Očekává se od něj budoucnost v oblasti vysoce efektivních počítačových součástek – s minimálními energetickými nároky a s obrovskou rychlostí. Mohl by přinést zásadní změny pro IT např. v zápisu dat.
Kde se v Plzni vzalo centrum s vazbami na světově významný výzkum?
Je to splněný sen. Po vysoké škole jsem začínal ve škodováckém výzkumáku. Málokdo ví, že skupina matematiků, která tam působila, vyvíjela jako jedna z prvních programy pro složité a velké výpočty reálných procesů. Třeba pády těles, proudění tekutin, obtékání překážek, vibrace apod. V té době na to ještě ani nebyla výpočetní technika, ale oni už to uměli matematicky popisovat a modelovat.
A s vedoucím této skupiny, Petrem Martincem, jsme hodně diskutovali o tom, jak to know-how ze Škodovky spojit se vzděláváním a vědou pěstovanou na vysoké škole. Já jsem po revoluci přešel na univerzitu a začali jsme domlouvat, že by tu vzniklo centrum čistě pro aplikovaný výzkum, ale samozřejmě i s dopadem na výuku. Když pak vyhlásilo ministerstvo školství poprvé soutěž o prostředky na založení center aplikovaného výzkumu, byli jsme připravení, v soutěži jsme uspěli a centrum začalo v roce 2000 fungovat. Petr Martinec zde sehrál zásadní roli.
Čím se zabývalo?
Od začátku se tady dělal čistě aplikovaný výzkum a v čem jsme byli výborní, to byly výpočty, simulace. Vzniklo silné počítačové centrum, výhodou byla možnost využití superpočítačového centra na univerzitě. Když podpora projektu skončila, pokračovali jsme hlavně v komerčních zakázkách. Například pro automobilku v Mladé Boleslavi jsme dělali řadu výpočtů a postupně i měření. Detailně jsme třeba zmapovali efekt prudkého brzdění ve vysoké rychlosti a mnohé další. Nebo nás požádal o pomoc Plzeňský Prazdroj, když jim zespodu korodovaly korunky na lahvích a začali mít kvůli tomu potíže na světových trzích. My jsme pomocí rentgenu zjistili, že při narážení uzávěru vzniká kvůli malému vychýlení zátkovacího stroje mikrotrhlinka, z níž se pak šíří koroze.
A věda?
Když se v České republice začaly významněji hodnotit kvalitní vědecké publikace a výsledky, řekli jsme si, že se musíme věnovat i základnímu výzkumu. To samozřejmě vedlo k formování nových týmů. Takže jsme byli i připraveni, když se objevila příležitost vstoupit do velké soutěže Evropské unie o vybudování špičkových výzkumných center. V soutěži jsme uspěli a mohli jsme pořídit prvotřídní experimentální techniku a vybudovat unikátní výzkumné laboratoře a přilákat nové odborníky. Skvělé bylo, že v této šanci uspěly i další tři projekty na Západočeské univerzitě, což znamenalo i významné možnosti spolupráce přímo na naší alma mater.
To bylo pro univerzitu několik miliard korun…
Hlavně obrovská příležitost, protože třeba právě na kvalitní vybavení jsme mohli začít lákat i lidi odjinud. A podařilo se přilákat i profesora Jána Minára. Opustil skvělou kariéru v Německu a v roce 2017 přišel na NTC. Tady s naší podporou začal budovat opravu špičkový mezinárodní tým pro kvantové technologie. Jemu se líbila důvěra a podpora, kterou tu dostal. Mohl vybudovat laboratoře a především tým světové úrovně tak, jak si představoval, a tak vhodně zkombinovat teorii a výpočty s laboratorním ověřením. Ředitel NTC Petr Kavalíř věří v mezinárodní spolupráci a v tomto směru se snaží maximálně výzkumníky podporovat i propojovat s průmyslem. V září 2023 se stal zmocněncem pro kvantové technologie místopředsedy vlády pro digitalizaci a ministryně pro vědu, výzkum a inovace.
V týmu působí řada cizinců. Ty dokážete v Plzni zaplatit?
Musíme si na to vydělat. Peníze získáváme z projektů, mezinárodních grantů, a pak skrze průmyslové zakázky od firem. Profesor Minár jako mezinárodní kapacita s kontakty po celém světě začal přitahovat vynikající odborníky a dnes je jeho tým poskládaný ze zahraničních doktorandů, spolupracujeme s odborníky z USA, Finska, Francie, Německa, Izraele, Indie a řady dalších zemí. Se zaměstnáváním vysoce kvalifikovaných cizinců je sice spojena řada administrativních překážek a je to samozřejmě drahé, ale výsledky za to stojí.
Čím vším se NTC zabývá?
Centrum hodně rozšířilo svoji agendu, kromě kvantových materiálů například vyvíjíme i velké baterie na uchovávání energie získané třeba z fotovoltaiky či větrných elektráren. Výzkumníci, kteří na tom dělali, vytvořili vlastní startup firmu, která s námi nadále spolupracuje a platí nám licenční poplatky. Podnikají po celém světě a mají opravdu unikátní zakázky. Ale hlavním oborem jsou pro nás kvantové materiály a technologie. Druhý směr jsou velké technické, například hydrodynamické výpočty pro zákazníky.
Další výborný a multidisciplinární obor je biomechanika. Připravujeme simulace například v souvislosti s bezpečností dopravy – počítáme, co se stane při srážce s osádkou, navrhujeme, jak ideálně rozmístit v autě nebo vlaku ochranné prvky. Matematicky jde dokonce simulovat i poranění při porodu. Pak rozvíjíme perspektivní obor, který se věnuje výzkumu speciálních materiálů, jako jsou např. hydrogely. Od začátku máme rovněž kvalitní tým, který se věnuje vývoji laserů a momentálně se soustředí na termovizní techniky. Také jsme založili na NTC společné česko-izraelské pracoviště zaměřené na palivové články.
Kde se cítíte být nejsilnější?
Nejprogresivnější je skupina kvantových materiálů profesora Minára. Jejich výstupy za sebou mají už celou řadu významných světových publikací. Naposledy je to právě náš podíl na článku v časopise Nature o altermagnetismu. O myšlence, že může existovat další druh magnetismu se již delší dobu ve světě diskutuje. Ale experimentální potvrzení této hypotézy bylo velmi náročné. Těší nás, že právě náš tým k potvrzení tohoto mimořádně významnému objevu přispěl. Opět se ukázalo, jak důležité je dlouhodobě pěstovaná mezinárodní spolupráce a schopnost programovat složité počítačové simulace pro interpretaci vysoce náročných experimentů. Ale i naše další týmy dosahují skvělých výsledků.
Takový úspěch má pak zřejmě dopad na mezinárodní scéně….
Ano, ale je to i závazek pro další zvyšování naší výkonnosti. Například před měsícem byla na NTC vědecká celebrita v oblasti kvantových technologií v USA, zmocněnkyně vlády USA pro kvantové technologie, skvělá a respektovaná vědkyně Prineha Narang. Ta přijela do Česka, aby navštívila špičková pracoviště zabývající se kvantovými technologiemi. Teď se domlouváme na spolupráci právě v oblasti kvantových materiálů. Po návštěvě Plzně pak zamířila do Prahy, Brna, Olomouce a Ostravy, aby na vlastní oči viděla, že výzkum v oblasti kvantových technologií je v ČR na světové úrovni. I ona je přesvědčena, že kvantové technologie totiž změní způsob, jakým pracujeme, komunikujeme a rozumíme světu kolem nás.
