Dlouhé stoly a na nich desítky zrcadel a čoček. Tak vypadá laboratoř dr. Lukáše Nádvorníka, kterou na Matfyzu založil před dvěma lety. Společně se svým týmem se věnuje výzkumu na pomezí spintroniky a terahertzové optiky, dvou perspektivních odvětví fyziky, díky nimž bychom jednou mohli mít v počítačích ultrarychlé a výkonné elektronické součástky. Teď za svou práci získal Cenu Nadačního fondu Bernarda Bolzana.
Je pravda, že vás k fyzice přivedl seriál Star Trek?
K fyzice jsem se dostal souhrou několika okolností, ale je pravda, že Star Trek v tom hrál také roli. Jsem dlouholetým fanouškem, už na střední škole jsem o Star Treku často přednášel. Myslím si, že moc hezky ukazuje, že technologie, pokud je uchopíme dobře, mohou přinášet nejen dílčí pokroky, ale také hluboce proměnit a kultivovat společnost jako celek.
O to vám jde i teď jako vědci – chcete měnit svět k lepšímu?
To je nejspíš snem každého vědce. Poznání má smysl samo o sobě a naplňuje i základní potřebu naší společnosti chápat svět, ve kterém žijeme. Technologie jsou pak vedlejší produkty takového úsilí, které společnost ženou dopředu a umožňují jí, aby byla lepší. Tohle propojení, kdy věda není jen sama pro sebe, je pro mě důležité.
Proto jste si vybral optiku a spintroniku, které mají blízko k praktickým aplikacím?
Když jsem s výzkumem jako student začínal, byly to právě aplikace, které mě zajímaly nejvíc. Chtěl jsem vědět, jaká pozitiva nebo nové nástroje můj výzkum lidem a společnosti přinese. Dnes už to vidím trochu jinak. Spintronika a optika, resp. terahertzová optika se mi prostě líbí, protože se jejich prostřednictvím můžu dovědět něco nového o hmotě a světě kolem nás.
O spintronice se dnes mluví jako o oboru, který může vnést revoluci do oblasti mikroelektroniky. Co je její podstatou?
Spintronika v sobě spojuje dva pojmy, a to je spin a elektronika. Spin je jednou z vlastností částic, které přenášejí elektrický proud. Ještě donedávna se tato vlastnost v praxi vůbec nezohledňovala, využíval se pouze elektrický náboj. Teď se ale ukazuje, že právě díky spinu by budoucí elektronika mohla být rychlejší a kvalitnější. Třeba takové počítačové paměti by mohly mít mnohonásobně vyšší kapacitu, než mají dnes. U nás v laboratoři se zaměřujeme hlavně na ukládání dat – hledáme nové fyzikální principy, které by umožnily ukládat více dat za co nejkratší dobu.
Využíváte k tomu metodu terahertzové spektroskopie. O co jde?
Terahertzová spektroskopie je relativně nový podobor optiky, který se zaměřuje na speciální oblast záření. Ta se v elektromagnetickém spektru nachází mezi mikrovlnami a infračerveným zářením. Výhodou této metody je, že například umožňuje ve vodivé látce vytvářet mimořádně krátké pulzy elektrického proudu. Pomocí takového „blikajícího světla“ je možné studovat ultrarychlé procesy, které se odehrávají například v magnetických materiálech a které bychom pomocí klasické elektroniky nikdy nemohli prozkoumat.
Jak v praxi takový výzkum vypadá?
Základem je kvalitní laser, který svítí viditelným pulzujícím světlem. Aby se z tohoto světla stalo terahertzové záření, prochází dlouhé metry přes zrcátka, kde se upravuje, až dopadne na krystal o speciální symetrii. Tam se vytvoří z optického pulzu pulz terahertzový. Zajímavé je, že od této chvíle musíme z dráhy záření odstranit vzduch, protože terahertzové vlnění se adsorbuje na vodních parách. Záření nakonec dopadne na vzorek, který má podobu zhruba centimetrové skleněné destičky s tenkou vrstvou studovaného kovového materiálu. My poté pozorujeme konkrétní optické veličiny prošlých terahertzových pulzů, jako je jejich intenzita, ale třeba také posun v čase nebo změna frekvence kmitů.
Kde se rodí nápady na vaše výzkumy?
Většinou v diskusích na Zoomu… Věda už dávno není one man show a málokdy se stává, že jednotlivce napadne něco přelomového. Nové nápady a objevy bývají většinou dílem širšího vědeckého kolektivu a rodí se převážně při vzájemné spolupráci a na konzultacích.
Přesto, je nějaký dílčí objev či nápad, na který jste opravdu pyšný?
Jeden mě napadá. Pochází z doby, kdy jsem byl na postdoktorském pobytu v Berlíně. Tenkrát nám s kolegy vyšla v rámci měření data, která na první pohled nedávala smysl. Chtěli jsme je zahodit a zkusit jiný přístup. Jezdil jsem tehdy do práce na kole a jednou jsem po cestě domů strašně promoknul. A právě když jsem šlapal v tom největším dešti, tak mě najednou napadlo, jak by se ta data dala interpretovat. Ještě mokrý jsem doma svou hypotézu ověřil a ukázalo se, že je správná. Na základě toho pak vznikl výzkum a článek, který vyšel v odborném časopise.
Tento článek je součástí souboru prací, za které vás ocenil Nadační fond Bernarda Bolzana. Na co se vám podařilo přijít?
Podařilo se nám objasnit původ jednoho fyzikálního jevu, který ve spintronice hraje zásadní roli. Jeho výhodou je, že se dá použít na čtení informace, která se zapíše do antiferomagnetů. Antiferomagnet je speciální typ magnetického materiálu, o kterém se dnes tuší, že umožňuje velmi rychlé ukládání dat. Antiferomagnety by měly být až tisíckrát rychlejší, než jsou konvenční materiály používané v současných pevných discích. Dlouho se řešilo, jakým způsobem by se vlastně taková informace dala do antiferomagnetů zapisovat a jak by jí bylo možné číst. A nám se podařilo ukázat, že velmi rychlé čtení je možné právě na terahertzové frekvenci.
Co vás čeká dál?
Zkoušíme teď víc věcí najedou. Jednak stále studujeme zmíněné antiferomagnetické materiály. Zajímá nás například, jak rychle se do těchto materiálů dá opravdu zapisovat. Zároveň se chceme zaměřit i na úplně nové typy magnetických materiálů, tzv. altermagnety, které byly objeveny teprve před pár měsíci. Nevíme, co můžeme čekat a kam nás výzkum zavede, ale věříme, že terahertzová spektroskopie by nám mohla ukázat úplně nový svět.
Mnoho studentů přechází po studiích do soukromého sektoru. Proč jste se rozhodl zůstat na akademické univerzitní půdě?
Přestože terahertzová spektroskopie je využitelná také v průmyslu, mě mnohem více láká akademická profese. Je to jednak kvůli tomu, že mi dává větší svobodu. Můžu pracovat na projektech, které z principu nemusejí nikam vést a vyžadují odvážnější kroky; o to víc je pak ale takový výzkum vzrušující. Zároveň mám možnost pracovat se studenty, což je pro mě také důležité. Jsem rád, že mohu mladé lidi motivovat k fyzice, protože to budou možná oni, kdo dosáhnou ve vědě velké věci.
Svět fyziky čas od času přibližujete také na přednáškách veřejnosti. Na Matfyzu jste stál u zrodu popularizačního projektu Fyzika do vlastních rukou. Kdy jste si uvědomil, že věda není jen o práci v laboratoři, ale také o komunikaci s veřejností?
To jsem si uvědomil celkem záhy, v podstatě už na střední škole, protože mě vždycky bavilo o fyzice mluvit. Někteří mí kolegové sice říkají, že o své práci na veřejnosti raději moc nemluví, aby okolí zbytečně nemátli, moje zkušenost je ale úplně opačná. Když lidem na přednáškách vysvětluji, co dělám, vidím, že je to zajímá. Zároveň vnímám, že když se obsah adekvátně podá, veřejnost dokáže pochopit i tak komplikované věci, jako je terahertzová spektroskopie na spinech. Je důležité přibližovat lidem práci vědců, protože díky tomu si společnost lépe uvědomí, proč je věda a fyzika potřebná. Ztráta důvěry ve vědu může mít naprosto katastrofální důsledky, což ukázala i covidová doba.
Co vám osobně prezentace přináší?
Když lidem něco vysvětlujete, musíte tomu perfektně rozumět. A paradoxně, čím méně edukované publikum máte, tím je prezentace náročnější a vyžaduje ještě lepší pochopení dané věci. Někdy je třeba problém nahlédnout z trochu jiné perspektivy, než je v oboru zvykem, což nakonec může být přínosné i pro vědce. Častokrát se mi stalo, že to, co jsem říkal na veřejnosti, jsem pak využil během přednášek pro studenty nebo také při komunikaci s kolegy. Taky trochu tajně doufám, že mě při přednáškách jednou napadne něco zásadního, co pak budu moct použít ve svém výzkumu, ale to se zatím nestalo…
Máte nějaký konkrétní cíl nebo sen, čeho byste chtěl ve vědě dosáhnout?
Hodně snů jsem měl jako student. Dnes už vím, že něco si vysnít, je hodně rizikové, protože ne vždy se podaří si takový sen splnit. Proto si nekladu konkrétní cíle, ale spíš se snažím o to, abych svou práci dělal rád a abych svým přístupem nabíjel studenty a kolegy. Zdá se, že to zatím docela funguje. Tím, že člověk dělá správná malá rozhodnutí a věnuje se tomu, co má rád, tak přirozeně získává určitý směr. A já jsem si celkem jistý, že i když není jasné, kam ten směr přesně míří, člověka nakonec dovede do příjemného cíle.
Nadační fond Bernarda Bolzana funguje od roku 1999 při Matematicko-fyzikální fakultě UK. K jeho úkolům patří mimo jiné nevýdělečná podpora vědecké a pedagogické činnosti na Univerzitě Karlově v oborech fyziky, matematiky a informatiky, rozšiřování úrovně experimentálních možností a teoretických postupů nebo zprostředkování širšího mezinárodního uplatnění vědeckých výsledků dosažených v daných oborech na UK.
