Se poate spune că câțiva oameni de știință au creat o nouă ramură a științei. Datorită ție, a fost creată spintronica semiconductoare.
Profesor. Dr. Hap Thomas Dietl: – Descoperirile sunt atribuite unei singure persoane sau unui grup mic, pentru că este mai ușor. Cu toate acestea, un grup foarte mare de oameni au contribuit la dezvoltarea spintronicii semiconductoare, și nu doar profesorii David Awshalom și Hideo Ono, alături de care am primit Premiul Societății Europene de Fizică. Spintronica clasică, care utilizează materiale metalice, este deja utilizată pe scară largă în memoriile magnetice, cum ar fi hard disk-urile. Versiunea sa de semiconductori are aplicații mai specializate, de exemplu în metrologia cuantică, dar trebuie să ne amintim că succesul pe piață apare de obicei la aproximativ 30 de ani după descoperirile fizicienilor.

Se pare că există puține câmpuri la fel de bine recunoscute ca magnetismul. Mai este ceva de descoperit aici?
Magnetismul este unul dintre primele fenomene extraordinare descoperite de omenire, iar înțelegerea lui a necesitat dezvoltarea teoriei cuantice în primele decenii ale secolului XX. Chinezii au folosit busola pentru navigație acum o mie de ani. Primele motoare electrice au apărut în anii 1830, dar posibilitatea utilizării lor în mașini este legată de dezvoltarea magneților mai puternici în ultimii ani. Înregistrarea magnetică a informațiilor a fost folosită și de mult timp, deoarece înregistrarea sunetului folosind medii magnetice a fost dezvoltată la începutul secolului al XX-lea, iar progresul aici constă în noi moduri de citire și scriere a informațiilor și materiale mai bune, care, combinate cu progrese. în miniaturizare permit acum să fie înregistrate filme de zeci de inchi pe un disc.

Dar odată cu miniaturizarea, nivelul de complexitate crește.
Acest lucru face ca ritmul de miniaturizare să încetinească. Progresul pe care îl vedem în continuare se datorează, printre altele, noilor materiale (cum ar fi înlocuirea oxidului de siliciu cu oxid de hafniu), dar și extinderii tipurilor de purtători de informații. Pe lângă electroni, folosim fotoni, adică lumina, iar pe lângă sarcina electrică, folosim momentul magnetic, adică spinul electronilor, și fluxul unui câmp magnetic. Oportunitățile mari sunt asociate cu schimbările în arhitectura computerelor. Cel pe care îl folosim a fost creat de John von Neumann în timpul celui de-al Doilea Război Mondial. De fapt, nu s-a schimbat fundamental nici astăzi, deși știm că ar putea exista și alte arhitecturi și principii de calcul posibile, cum ar fi computerele cuantice.

Dar chiar avem nevoie de putere de calcul din ce în ce mai mare?
Da, și nu doar pentru divertisment, adică pentru îmbunătățirea jocurilor și a filmelor, ci și pentru a proiecta noi materiale sau medicamente sau pentru a prezice vremea mai eficient. O mare provocare care necesită utilizarea metodelor de inteligență artificială (învățare automată) este aceea de a utiliza și genera în mod creativ marea de date pe care le-am colectat, de exemplu, pentru diagnosticarea automată în timp real în timpul examinărilor RMN sau cu ultrasunete.

În acest context, o problemă importantă este ponderea tot mai mare a TIC-urilor larg înțelese, inclusiv centrele de date și minele Bitcoin, în consumul global de energie, care în prezent se ridică la 5%. O direcție de progres este crearea de dispozitive care au aceeași putere de calcul și memorie ca cele folosite astăzi în laptopuri și telefoane, dar în același timp sunt atât de eficiente încât pot fi alimentate de lumină sau de zgomot electromagnetic omniprezent. A doua tendință este dezvoltarea calculatoarelor cuantice menționate mai sus, care nu numai că vor fi mai eficiente din punct de vedere energetic, dar vor putea rezolva probleme cărora computerele clasice nu le pot face față.

Ce face ca computerele cuantice construite până acum să fie prea mici pentru a fi practice?
Relativ recent, s-a descoperit că posibilitatea de a descrie multe fenomene în dispozitivele electronice folosind concepte clasice (de exemplu, descrierea simultană a poziției și vitezei unui electron) rezultă din faptul că evoluția cuantică este perturbată de zgomotul electromagnetic menționat mai sus, care de asemenea provine, de exemplu, de la vibrațiile termice ale atomilor. Prin urmare, căutăm materiale în care purtătorii de informații să nu interacționeze cu mediul și al căror comportament este deci cantitativ. Materialele topologice sunt cele care oferă o astfel de oportunitate.

Ce sunt mai exact materialele topologice?
Geometria ne spune cum să calculăm aria unui pătrat și cum să calculăm aria unui triunghi. Topologia este știința care se ocupă de proprietăți care nu depind de geometrie sau formă – din punct de vedere al topologiei, un pătrat, un triunghi și o rolă sunt identice, dar pâinea nu este, pentru că nu poți face pâine dintr-un rulou fără distrugându-l. Problema este că pâinea are o gaură, iar rulada nu are. De asemenea, puteți arunca o privire la așa-numita bandă Möbius. O bandă obișnuită este un cerc, iar o bandă Möbius se lipește împreună când este răsucită și nu poate fi transformată într-un cerc, așa că – așa cum spunem – aparține unei clase topologice diferite. Când ne gândim la înregistrarea informațiilor folosind momente magnetice, ne putem imagina două stări: starea în care aceste momente se rotesc [momenty pędu cząstek – red.] Se aranjează sub formă de guler, iar al doilea se aranjează sub forma unei benzi Möbius. Ultimul sistem este mai stabil, astfel încât înregistrarea este permanentă chiar și atunci când obiectul în sine este mult mai mic. Aceste sisteme topologice pot fi purtătoare de date noi, dar pot fi folosite și pentru procesarea informațiilor.

Există, de asemenea, o clasă de materiale în care există stări electronice suplimentare la suprafață, indiferent de forma probei și, prin urmare, sunt de natură topologică. Deoarece deformarea rezultată, de exemplu, din mișcarea termică a atomilor, nu afectează aceste stări, ele interacționează doar slab cu mediul. Aceasta înseamnă că putem construi un semiconductor ai cărui electroni de suprafață se mișcă aproape fără pierderi. Acest lucru este foarte interesant din punct de vedere al consumului de energie și al construirii de calculatoare cuantice.

Cum traducem acest lucru într-o aplicație reală?
Obiectele care au proprietăți topologice adecvate și pot constitui noi purtători de informații în calculatoarele cuantice sunt așa-numiții fermioni Majorana. Fermionii sunt, de exemplu, electroni și pozitroni. Majorana a fost un fizician italian care a dezvoltat o ecuație care a arătat posibilitatea existenței unor particule care sunt propriile lor antiparticule. Deși nu se găsesc ca particule elementare, ele trebuie să existe într-o anumită clasă de supraconductori ca obiecte topologice și astfel rezistente la perturbații. Zeci de laboratoare caută molecule de Majorana în supraconductori. Avem o situație similară cu cursa pentru găsirea particulei Higgs.

Cu toate acestea, proprietățile topologice au deja aplicații practice, de exemplu în metrologie. Astăzi, unitățile de măsură de bază sunt definite nu în termeni de obiecte fizice, ci în termeni de constante fizice. Astăzi, un metru, secundă sau kilogram este definit prin referire, printre altele, la viteza luminii, la valoarea sarcinii unui electron sau la constanta lui Planck. Mișcarea fără pierderi a electronilor în stări topologice are ca rezultat faptul că rezistența electrică, în anumite condiții, depinde doar de raportul dintre constanta lui Planck și pătratul sarcinii. În acest fel, combinat cu efectul Josephson în joncțiunile supraconductoare, pot fi construite modele de unități electrice (volți, amperi, ohmi) și kilograme. Este demn de remarcat faptul că progresele în metrologie, inclusiv măsurarea precisă a timpului, ne permit să ne determinăm locația cu o precizie de 10 metri, folosind ceasurile atomice de pe sateliții Global Positioning System (GPS).

Unde vom putea găsi în viitor materialul la care lucrați în prezent la MagTop?
Aș dori să dau trei exemple, iar dacă sunteți interesat de mai multe informații, vă rugăm să vizitați site-ul nostru, unde descriem în detaliu peste 25 de realizări. În primul rând, suntem într-o cursă pentru a găsi specializări în calcul cuantic. Le căutăm în așa-numitele nanofire cuantice. Ni se pare că avem tehnologia pentru a obține o anumită clasă de nanofire, ceea ce oferă o șansă mult mai mare de a găsi aceste particule decât materialele testate până acum.

Al doilea lucru nou pe care MagTop îl face este să folosească vortexurile în supraconductori ca purtători de informații topologice. În prezent, grupul care lucrează la acest lucru este capabil să controleze vortexurile individuale. Acest lucru este foarte interesant, deoarece electronicele realizate în acest fel funcționează la temperaturi foarte scăzute și sunt promițătoare în ceea ce privește economisirea energiei.

Colaborăm cu o companie specializată în senzori în infraroșu și care utilizează materiale topologice în anumite condiții. Ei înșiși nu au folosit încă aceste proprietăți, dar împreună ne pregătim pentru un brevet interesant. Detectoarele cu infraroșu necesită răcire. Între timp, materialele cu care lucrăm pot folosi efectul termic pentru a scădea temperaturile. Astfel, puteți construi un senzor care detectează simultan radiația infraroșie și se răcește singur. Acest lucru poate apărea mai rapid într-un produs comercializabil.

Merită să investim într-o astfel de cercetare aici, în Polonia?
Căutarea talentului continuă în toată lumea. Este o cursă globală pentru a vedea cine poate aduna cei mai deștepți oameni. Polonia a pierdut adesea astfel de talente. Acest lucru trebuie confruntat în două moduri. În primul rând, prin crearea unor condiții de lucru foarte bune pentru oamenii de știință polonezi. A doua modalitate este de a atrage talente din străinătate. Ideea agendelor internaționale de cercetare a fost de a deschide universitățile și laboratoarele poloneze pentru un număr mai mare de vizitatori din străinătate. A fost un succes, avem oameni de știință din 13 țări care lucrează aici.

Programul MAB își propune, de asemenea, să schimbe modul în care este gestionată știința. Deciziile privind recrutarea șefilor de grup nu sunt luate de instituția noastră sau de Institutul de Fizică al Academiei Poloneze de Științe, ci de Comitetul Științific Internațional, astfel încât selecția se face în mod obiectiv și pe baza doar calificărilor candidaților.

O altă problemă importantă este aducerea științei mai aproape de industria noilor tehnologii. Elementul cheie al programului a fost nevoia de a stabili o astfel de cooperare, iar în cazul nostru am reușit.

De asemenea, este important ca IRA-urile să fie planificate pentru mulți ani. Acest lucru ne permite să creăm o masă critică de oameni de știință care se ocupă de o anumită problemă, care cu siguranță va da roade în viitor.

Dar avem o șansă de a beneficia din punct de vedere economic de pe urma unor astfel de cercetări, deoarece cea mai mare parte a industriei high-tech de astăzi este formată din companii americane sau japoneze?
Problema companiilor din alte țări care câștigă bani din rezultate ale cercetării care nu le aparțin este o problemă pentru întreaga Europă. Și, desigur, într-o măsură mai mică, de exemplu Germania, care are multe companii de înaltă tehnologie concurente în lume. Totuși, în țara noastră există tot mai multe companii care sunt capabile să concureze cu această competiție. Recent, compania poloneză Scope Fluidics și-a vândut tehnologia SUA pentru 170 de milioane de dolari. Desigur, nu avem compania poloneză Samsung, deși Coreea de Sud este similară ca mărime cu Polonia, așa că ne putem imagina că ar trebui să avem o companie similară. Este necesar un efort major din partea oamenilor de știință și a inginerilor pentru a schimba această situație, dar cred că Polonia a făcut deja progrese extraordinare și putem privi cu optimism spre viitor.

Mai multe despre rezultatele testelor de la laboratoarele poloneze în raportul intitulat „Știința într-un timp de schimbare. Cum ne ajută cercetarea finanțată din fonduri europene să ne protejăm de amenințările globale și să profităm de oportunitățile istorice: www.fnp.org.pl

***

Profesor Thomasz Dietl, fizician, lucrează la Centrul Internațional de Cercetare Magtop de la Institutul de Fizică al Academiei Polone de Științe, specializat în fizica și aplicațiile semiconductorilor topologici, magnetici și supraconductori. El a dezvoltat recent teoria efectului Hall de spin cuantic.

***

Programul Agende Internaționale de Cercetare este implementat de Fundația Poloneză pentru Știință din Fonduri Structurale în cadrul Programului Operațional pentru Creștere Inteligentă (POIR) 2014-2020, Măsura 4.3. Tabele internaționale de cercetare.