Kanapki z elektronami

Badania naukowe

Mechanika kwantowa ujawnia podwójną naturę materii, niejako pokazuje nam 
obie jej natury naraz. Im bardziej obniżamy wymiarowość materiału, 
im ciaśniej jest w nim elektronom, tym szybciej i mocniej ujawniają się 
odstępstwa od praw fizyki działających w materii trójwymiarowej.

Rozmowa z prof. dr. Jackiem Kossutem, 
fizykiem z Instytutu Fizyki PAN w Warszawie,
laureatem konkursu „Subsydia Profesorskie FNP 2003”

Czy zainteresowanie fizyką jest Pana pierwszym i ostatnim w życiu ?
– Pierwszym poważnym, tak bym to ujął, i myślę, że przy fizyce pozostanę do końca życia. Skrystalizowało się w ostatniej klasie szkoły średniej, ale dużo wcześniej zaciekawiłem się naukami ścisłymi, włączając w to biologię. Dzięki sąsiadom, państwu Bonderom; niestety, oboje już nie żyją. Pani Flora była właśnie biologiem, pracowała w Instytucie Nenckiego, później zrezygnowała z pracy naukowej. Julian Bonder był wybitnym matematykiem z Instytutu Podstawowych Problemów Techniki. Oboje z wielką życzliwością i mądrością opiekowali się młodzieżą i, jak wiem, do nauki przyciągnęli nie tylko mnie.

– Jak to się działo?
– Miałem u państwa Bonderów spore pudełko, gdzie trzymałem zlewki, kolby, różne rzeczy potrzebne do doświadczeń, które robiliśmy z panią Florą. To było chyba w piątej klasie. Wcześniej przeglądaliśmy książki z obrazkami i prowadziliśmy zbiory „skarbów”, tzn. ciekawych (dla mnie wtedy) minerałów i zasuszonych roślin. Trzeba było nazwać te eksponaty i umieć coś o nich powiedzieć. Pamiętam niemiecką książkę o egzotycznych zwierzętach – przerysowywałem je, a jeszcze trzeba było napisać, co o nich wiem. Było to, odpowiednie do wieku, rozbudzanie głodu wiedzy.

– Czy także dostrzeżonych talentów?
– Myślę, że tak. Mój przyjaciel (także sąsiad) nie miał „smykałki” do nauk ścisłych i pani Flora Bonderowa uczyła go... gry na pianinie.

– Dlaczego nie robił Pan tego wszystkiego we własnym domu?
– U państwa Bonderów te same zajęcia były atrakcyjniejsze, bardziej odświętne. W domu nie mógłbym rozmawiać poważnie o matematyce i fizyce – co robiłem bardzo często z Julianem Bonderem – mama była raczej humanistką, ojciec wykładał ekonomię w SGPiS, jak się ta uczelnia wówczas nazywała. Rodzice, owszem, podsuwali mi różne książki popularnonaukowe, zachęcali, żebym wstąpił do szkolnego kółka chemicznego czy fizycznego. Ojciec cieszyłby się, gdybym został lekarzem, ale nie nalegał na to, zaaprobował mój start na fizykę, szczególnie, że zająwszy dość wysokie miejsce w olimpiadzie szkolnej, nie musiałem zdawać egzaminu wstępnego. 

– Wybór fizyki okazał się trafny?
– Tak, choć zrobiłem być może fałszywy krok (Julian Bonder ostrzegał mnie przed nim), decydując się na fizykę teoretyczną. Była modna, skupiała elitę, ale ja chyba nie miałem do niej predyspozycji. Jako teoretyk interpretowałem doświadczenia i w tym mam największy dorobek. Nie odkrywałem nowych mechanizmów, zauważałem, że coś, co było znane wcześniej, da się doskonale zastosować do opisu innych zjawisk, innych materiałów itd.

– Jak długo to trwało?
– Długo. Ostatecznie się „przełamało” jakieś dziesięć lat temu. Powoli dochodzimy do tematyki, na którą (i za którą) otrzymałem subsydium. Otóż, na początku lat 70. wielką karierę w fizyce półprzewodników zaczęły robić takie obiekty, w których elektrony zachowywały się jak quasi-dwuwymiarowe cząstki. 

– Quasi?
– One jednak nie były całkiem dwuwymiarowe. Można to przybliżyć przez analogię do bardzo cienkich... kanapek. O grubości rzędu stu angstremów. Wytwarzało się taką strukturę-kanapkę i „przymuszało” elektrony, żeby trzymały się w obrębie, powiedzmy, warstwy masła. Okazało się, że takie quasi-dwuwymiarowe elektrony mają wtedy inne własności, np. lepsze – z naszego punktu widzenia – własności optyczne. Dioda świecąca albo laser półprzewodnikowy zrobione z takiego materiału świecą wydajniej. Ujawniły się przy tym jeszcze inne ciekawe rzeczy. Materiały półprzewodnikowe są w zasadzie izolatorami, żeby przewodziły prąd, trzeba wprowadzić do nich domieszki, zanieczyszczenia. Z tych zanieczyszczeń da się łatwo oderwać elektrony i te oderwane elektrony właśnie przewodzą prąd. Płaci się za to pogorszeniem struktury krystalicznej materiału, co z kolei zwiększa opór stawiany przewodzącym prąd elektronom.

– Rozumiem, że trzeba znaleźć równowagę? Dowiedzieć się, ile zanieczyszczeń można wprowadzić, żeby zanadto nie popsuć struktury?
– Tak jest. Co więcej, w strukturach quasi-dwuwymiarowych można „zepsuć” jedną warstwę materiału przez domieszkowanie, a prąd przepuszczać przez, położoną w pobliżu, „niezepsutą” część warstwy półprzewodnikowej, w której elektrony poruszają się doznając słabszego oporu. A więc i tutaj pomocne okazały się elektrony quasi-dwuwymiarowe. Dzięki ich zastosowaniu można robić bardzo szybko reagujące układy, np. tranzystory do telefonów komórkowych. 

– Czy można powiedzieć, że wszystko to jest porządkowaniem materii (wedle ludzkich wyobrażeń, no i dla ludzkich potrzeb) na poziomie bardzo elementarnym?
– Można. Na tym bardzo elementarnym poziomie pojawiają się zjawiska natury kwantowej, których w makroskopowym świecie nie obserwujemy, a badano je studiując pojedyncze atomy, małe grupki atomów. Ostatnio przyznano kilka nagród Nobla za różne odkrycia związane ze zjawiskami kwantowymi.

– Czy odsłaniają one jakieś istotne tajemnice materii?
– Odsłaniają np. jej falową naturę. Pokazują, że elektron jest nie tylko korpuskułą, która ma masę, ale w pewnych warunkach jest falą. Dwa elektrony mogą interferować ze sobą tak, jak fala i wytwarzać tzw. prążki interferencyjne, potwierdzające to zjawisko. Można mieć do tego podejście inżynierskie, stawiać sobie pytanie, jak zrobić laser, prążki interferencyjne potwierdzające to naocznie. Mechanika kwantowa ujawnia podwójną naturę materii, niejako pozwala widzieć tę podwójność. Inżynierskie podejście do tego, pozwala stawiać różne praktyczne pytania, np. jak zrobić laser, który będzie świecił najjaśniej albo emitował światło w określonym kolorze.

– Pan stawia inne?
– Jestem dosyć daleki od zastosowań, ale z przyjemnością obserwuję jak quasi-dwuwymiarowe elektrony szybko opanowały nasze życie codzienne. Każdy odtwarzacz CD ma czytnik laserowy zrobiony z materiału zawierającego „studnię kwantową”, czyli, mówiąc w największym skrócie, taką bardzo cieniutką kanapkę z elektronami.

– Kiedy zajął się Pan tymi zagadnieniami, byliśmy blisko czołówki?
– W Warszawie był silny ośrodek fizyki półprzewodników. Ceniono nas m.in. za to, że potrafiliśmy wytwarzać dobre kryształy trójwymiarowe, ale kiedy się zaczęło zainteresowanie cząstkami quasi-dwuwymiarowymi i chcieliśmy to robić, wystąpiły trudności. Na przyrządy było embargo Ameryki i całego Zachodu, nie mogliśmy ich kupić. W Instytucie Fizyki zbudowano pewien przyrząd – ze wszystkimi obciążeniami prototypu. Gdy nastały nowe czasy, zaproponowałem, żebyśmy próbowali nadrobić zaległość. W roku 1992 wytropiłem firmę, mało znaną, która właśnie zaczęła produkować urządzenia do wytwarzania takich niskowymiarowych struktur, dyrekcja instytutu zdecydowała się. Będąc w Stanach Zjednoczonych, dostałem wiadomość o tym, wraz z propozycją, żebym pokierował nowym zespołem, który zajmie się robieniem próbek takich materiałów, no i badaniem ich. Postanowiłem – na chwilę, jak mi się zdawało – odłożyć swoje pasje teoretyczne i „łapać szansę”.

– Chwila trwała długo?
– Właściwie trwa do dzisiaj. Nie wiem, czy jestem dobrym doświadczalnikiem, ale okazałem się chyba dobrym organizatorem. Bardzo dużo się nauczyłem. A nasze próbki szybko zyskały renomę i prosiło o nie wiele laboratoriów z całego świata – z Austrii, Niemiec, Japonii, USA. Przede wszystkim dlatego, że robiliśmy materiały wówczas unikalne, które zawierały w sobie element magnetyczny. My nazywamy je „rozcieńczonymi półprzewodnikami magnetycznymi”.

– W perspektywie poznawczej jest to ciągle wnikanie w głąb materii?
– Można tak powiedzieć. W czerwcu byłem na konferencji w Jaszowcu (kilka referatów opisywało wyniki osiągnięte przy użyciu naszych próbek), gdzie przedstawiono najnowsze badania z tej dziedziny. Powiem o jednym zagadnieniu, które bardzo nurtuje fizyków. Otóż, wiadomo od dawna, że w półprzewodnikach prąd przewodzić mogą nie tylko elektrony, ale i tzw. dziury, czyli puste miejsca po elektronach, zachowujące się tak, jak cząstki naładowane dodatnio. Jeśli do półprzewodnika wprowadzimy i elektrony, i „dziury” to one się przyciągają wzajemnie, tworząc obiekt nazwany ekscytonem. Powstający ekscyton wyświeca nadmiar energii, co jest wykorzystywane w diodach i laserach półprzewodnikowych. Można do takiej „dziury” przyłączać więcej elektronów, uzyskując trion albo naładowany ekscyton... zjawiska te przewidziano teoretycznie w latach 50., ale dopiero teraz, kiedy dysponujemy strukturami niskowymiarowymi, udało się je – pierwsi byli fizycy z Grenoble – zaobserwować. Inny nurt tego penetrowania materii, o które Pani pyta, to tzw. spintronika. Elektron, oprócz ładunku elektrycznego, posiada własność nazwaną spinem. Nie występuje ona w świecie makroskopowym, a w świecie kwantowym jest istotna. Wszystkie magnetyki są „magnetyczne” dlatego, że atomy, z których się składają, mają spin. Bardzo rzecz upraszczając powiem, że spiny można ustawiać, jak strzałki, w górę lub w dół. W pierwszym przypadku oznacza to logiczne: „tak”, w drugim logiczne: „nie”. Z tym zjawiskiem mamy do czynienia w taśmie magnetycznej – „ustawiamy” spiny odpowiednio, żeby można było odczytać zapisaną informację. Do przechowywania informacji spiny od dość dawna dobrze służą, teraz staramy się zaprząc je do przetwarzania informacji. Rozwija się, bardzo intensywnie, informatyka kwantowa.

– Jest ona dalszym krokiem czy też wejściem na inną drogę? 
– Jest czymś zupełnie nowym. Mechanika kwantowa nie operuje stwierdzeniami typu: „elektron jest tutaj”, tylko: „prawdopodobieństwo, że elektron jest tutaj wynosi tyle i tyle, zaś prawdopodobieństwo, że jest gdzie indziej – tyle i tyle”. Elektron jest jak gdyby w obu miejscach naraz – oczywiście, z różnym prawdopodobieństwem. Można to wykorzystać do przetwarzania informacji. Istnieje tzw. „paradoks” EPR (Einsteina, Podolskiego i Rosena), który wykazuje teoretycznie, że można przenosić informacje z prędkością być może większą od prędkości światła. Bardzo wielu ludzi się tym zajmuje. Nie mając jeszcze komputerów kwantowych (nie wiadomo, czy technicznie uda się je zrobić), opracowują algorytmy dla nich itd., itd. Spin pojawia się tu jako ważna wielkość. Mówię o tym dlatego, że nasze materiały, zawierające i quasi-dwuwymiarowe elektrony, i spin, okazały się bardzo na czasie. 

– Jesteśmy blisko problematyki zgłoszonej w konkursie o subsydium...
– Tak. Mając jakiś dorobek w tym zakresie, no i aparaturę do robienia próbek, chcemy teraz wytwarzać „kropki kwantowe”, czyli struktury, w których elektron jest nie tylko ograniczony do bardzo cienkiej płaszczyzny, ale jak gdyby zamknięty w klateczce – jego ruchy we wszystkich kierunkach zostają zahamowane. Niektórzy nazywają to sztucznymi atomami.

– Co się wtedy dzieje?
– Elektron w takiej sytuacji np. jeszcze lepiej świeci – to skutek praktyczny, ale w kropce kwantowej występują jak na dłoni różne zjawiska, które w innych warunkach trudno badać, a których poznanie może być pomocne w informatyce kwantowej – znów zastosowanie praktyczne. Chcemy nauczyć się wytwarzać takie struktury, „wstrzykiwać” elektrony z jednej części materiału do drugiej części, tak żeby ich spin nie ulegał zakłóceniu, chcemy rozwiązać rozmaite, związane z tym, problemy.

– To będzie bliższe fizyce teoretycznej czy doświadczalnej?
– To będzie na pograniczu, gdyż doświadczenia przynoszą okazje do teoretycznych interpretacji, a w tym obszarze zagadnień (najszerzej ujmując jest to fizyka ciała stałego) bardzo wiele rzeczy nie zostało jeszcze zinterpretowanych. W naszym Instytucie Fizyki PAN nigdy nie było sztywnego podziału na teoretyków i doświadczalników, zawsze pracowaliśmy w grupach mieszanych. Mnie to bardzo odpowiada.

– Jeszcze raz spytam, czy na tym obszarze spodziewa się Pan istotnych wyjaśnień dotyczących budowy świata?
– Ciągle pojawiają się wyjaśnienia. Wspomniałem o paru nagrodach Nobla z tej szerokiej dziedziny. Dwie przyznano za, odpowiednio, całkowity i kwantowy „efekt Halla”. Jest to zjawisko zachodzące wtedy, gdy do materiału, w którym przepływa prąd, przyłożymy pole magnetyczne. Pole magnetyczne zagina tor elektronu, który zamiast posuwać się do przodu, jak mu każe napięcie, zatacza łuk, co sprawia, że wytwarza się napięcie „w poprzek”. Można je mierzyć i taki pomiar mówi nam, jak wiele elektronów płynie w półprzewodniku. Okazało się, że to zjawisko przebiega inaczej w półprzewodniku trójwymiarowym, a inaczej w quasi-dwuwymiarowym, co wykorzystano (bardzo upraszczam) jako wzorzec oporu elektrycznego. Różne biura standardów dzisiaj się nim posługują. Zależność pomiędzy tym „poprzecznym napięciem Halla” (w przypadku jego wersji „całkowitej”) a zewnętrznym polem magnetycznym przestaje być wprost proporcjonalna (jak to się dzieje w przypadku kryształów trójwymiarowych), a na odpowiedniej krzywej obserwujemy serię schodków o ściśle określonej wysokości. Można im przypisać odpowiednie liczby całkowite. Nie wchodząc w skomplikowane szczegóły, powiem jeszcze, że z efektem Halla wiąże się inne wyjaśnienie czegoś w budowie materii, mianowicie stwierdzenie, że elektrony „widzą siebie nawzajem”, zachowanie pojedynczego elektronu zależy od tego, jak zachowują się inne. Im bardziej obniżamy wymiarowość materiału, im ciaśniej jest w nim elektronom, tym szybciej i mocniej ujawniają się odstępstwa od praw fizyki działających w materii trójwymiarowej.

– Czy w naturze występują takie zjawiska, jakie Pan opisuje, np. „kanapki z elektronami”?
– Myślę, że tak. Istnieją np. – w każdej sadzy – nanorurki węglowe i niektóre z nich są strukturami kwantowymi. Niedawno okazało się, że pewne rośliny wytwarzają... kropki kwantowe. Bardzo cienkie warstwy tworzą się na powierzchni ciał stałych, ale często w sposób na tyle niepowtarzalny, że trudno badać ich własności.

– Zatem, ile z tego, o czym rozmawiamy, jest odkryte, a ile wymyślone?
– Większość jest wymyślona. Zasadnicza myśl była taka, żeby obniżać wymiarowość układów atomowych. Przewidywano, że to może przynieść ciekawe wyniki, ujawnić jakieś egzotyczne własności itd. Dopiero potem i zupełnie niezależnie od tych badań odkryto wspomniane rośliny, które wytwarzają struktury związku chemicznego – selenku kadmu – bardzo podobne do tego, co fizycy nazwali kropkami kwantowymi. Nanotechnologia, której pewnymi zagadnieniami się zajmuję, jest – znów najogólniej – przekształcaniem struktur atomowych materii tak, żeby wystąpiły zjawiska kwantowe, które możemy badać i, ewentualnie, zaprząc do służby człowiekowi.

– Jakie są teraz główne pytania w tej dziedzinie?
– Niektóre z nich brzmią: Czy uda nam się uzyskać źródła cząstek o założonym spinie, czyli tym własnym momencie magnetycznym? Czy uda się uzyskać półprzewodniki, które będą jednocześnie ferromagnetykami, dającymi się zastosować w temperaturze pokojowej i wyższej? Czy uda się kontrolować wzajemne oddziaływanie elektronów w tych szczególnych warunkach quasi-dwuwymiarowości? Czy potrafimy wytworzyć jednofotonowe źródła światła, potrzebne do przetwarzania informacji? Istnieją różne okoliczności, które psują wizje fizyków zajmujących się tymi problemami. Na przykład taka, że nie tylko elektrony mają spiny, również jądra atomowe, wokół których one krążą, i to komplikuje sytuację, bo może powodować zakłócenia. Może się okazać, że istnieją jakieś fundamentalne przeszkody udaremniające odpowiedzi na te pytania...

– Czy to oznaczałoby kres drogi, którą Pan idzie?
– Nie chciałbym tak myśleć, ale można sobie wyobrazić, że „zabraknie” nam pierwiastków do wytwarzania materiałów quasi-dwuwymiarowych i trzeba będzie szukać substancji organicznych. Byłaby to nowa droga, czy nowy etap poszukiwań. Jedną z ostatnich nagród Nobla przyznano za... organiczne elementy elektroniczne. 

– Czy chciałby Pan wejść na tę nową drogę? 
– Nie wiem, czy zdążę. W Polsce na razie bardzo niewiele osób zajmuje się półprzewodnikami organicznymi. 

– Wchodzi się na nią „od strony” fizyki?
– Bardzo często od strony chemii albo z pogranicza chemii i fizyki. Substancje chemiczne dają lepsze perspektywy zastosowań, tj. łatwiejszego wytwarzania materiałów o pożądanych własnościach kwantowych.

– A czy badacze myślą o przeniknięciu tajemnic przyrody, np. mechanizmu działającego w tych roślinach, o których Pan profesor wspomniał, żeby go potem naśladować?
– Owszem. Robimy np. takie kropki kwantowe, które w pewnym sensie tworzą się same, najogólniej mówiąc i w wielkim uproszczeniu, poprzez odpowiednio prowadzoną hodowlę kryształów. Jest to rodzaj naśladowania natury. 

– Ostatnie pytanie: Na co przeznaczy Pan subsydium?
– Większą część na stypendia dla kilku doktorantów. Drugą na wydatki bezpośrednio związane z tymi badaniami, które starałem się przedstawić. Myślę, że legitymacją do tego jest ich poziom, który sytuuje nas, powiedzmy, w pierwszej dwudziestce ośrodków zajmujących się tą problematyką. Robimy dobre próbki, te „kanapki z elektronami”. Ciągle nas o nie proszą uczeni z wielu krajów. Bliżej współpracujemy z kilkoma laboratoriami – w Niemczech, w USA –, wnosząc i pomysły, i próbki. Ostatnio dostałem prośbę z... Brazylii. 

Rozmawiała Magdalena Bajer 

Komentarze