Umiemy dobrze budować materiały z warstw atomowych, ale jest nadzieja, że nauczymy się tworzyć je z pojedynczych atomów. Nadzieję dają metody samoorganizacji, za pomocą których chcemy sprawić, żeby użyteczne struktury atomowe same się budowały i same naprawiały, jeśli zajdzie potrzeba.

Kroki poza horyzont

Rozmowa z prof. dr. hab. Tomaszem Dietlem, fizykiem,

laureatem Nagrody FNP 2006

W rodzinie Pana Profesora, ogromnie zasłużonej dla nauki i polskiej historii, dominuje tradycja lekarzy – badaczy i społeczników. Fizykiem jest Pan pierwszym?

– Tak, ale nauki ścisłe pojawiły się wcześniej – mój dziadek był doktorem chemii. Studiował we Fryburgu, ściągnięty tam przez swoją ciotkę, żonę fizyka prof. Józefa Wierusz−Kowalskiego, który wiele lat wcześniej w Paryżu zorganizował pierwsze spotkanie Marii Skłodowskiej i Piotra Curie. Co do mnie zaś, bardzo dobrze szła mi matematyka w szkole. Nauczyciele dawali mi specjalne zadania do rozwiązywania i to miało jakieś znaczenie dla moich zainteresowań. Ale gdy w piątej klasie przewertowałem podręcznik fizyki, stwierdziłem, że chcę być fizykiem. Od tego czasu czytałem książki popularnonaukowe, troszkę podręczniki akademickie i do dzisiaj uważam, że dobrze wybrałem. Rodzice byli zadowoleni, bo w latach sześćdziesiątych, kiedy się to działo, studiowanie nauk ścisłych uważano za najlepsze. Mama socjolog i ojciec ekonomista musieli się mierzyć z naciskami ideologicznymi. A mój ojciec chrzestny, który jest profesorem ekonometrii, w pewnym momencie zajął się logiką matematyczną.

Czy w Pana zainteresowaniu fizyką było poczucie, że jest to „pierwsza linia” w poznawaniu świata?

– O, tak. I do dzisiaj pasjonuje mnie w fizyce to, że pozwala zrozumieć, co się obserwuje wokół, a także przewidzieć z bardzo dużą dokładnością, co się będzie obserwowało. Nie spekulujemy, jak jest, ale opisujemy ilościowo to, co jest.

Czy to jednak trochę nie ogranicza, nie krępuje wyobraźni, niezbędnej, jak myślę, w każdym poznawaniu?

– Nie, dlatego że choć struktura fizyki jest logiczna i w jakimś sensie prosta, wiele podstawowych założeń i przewidywań to są konstrukcje myślowe nieintuicyjne. Cała mechanika kwantowa jest sprzeczna z intuicją, a mimo to świetnie opisuje wyniki doświadczeń, co prowadzi do zrozumienia zjawisk makroskopowych, często zupełnie niespodziewanych. Okazuje się, że przewidywania sprzeczne z potocznym myśleniem są słuszne – przyrządy i urządzenia skonstruowane wedle tych przewidywań, np. lasery czy telefony komórkowe, działają. Jest to źródłem ogromnej satysfakcji intelektualnej, ale również przyczyną trudności zrozumienia osiągnięć nauki przez niespecjalistów i wypełniania powstałej próżni paranauką.

Jak się zaczyna szukanie poza granicami intuicji?

– Od znajomości szeroko rozumianej mechaniki kwantowej, która jest usiana paradoksami i zarazem pełna przewidywań, paradoksalnych z perspektywy fizyki klasycznej. Wielkiej umiejętności – to chyba jest probierz jakości fizyka – wymaga rozpoznanie, które z tych paradoksów, w danym momencie rozwoju, mają szanse na sprawdzenie doświadczalne, a także na wykorzystanie w praktyce. Dobry fizyk wie, kiedy można sprawdzić daną teorię, żeby ani nie powtarzać staroci, ani nie porywać się na rzeczy, do których nie mamy aparatu matematycznego i możliwości doświadczalnych.

Zapytam trywialnie, czy w tym zasobie, jaki stanowi mechanika kwantowa, jest jeszcze dużo paradoksów do sprawdzenia?

– Odpowiedź trywialna brzmi: nie ma granic poznania w żadnej dziedzinie nauki. Odkrywając czy wyjaśniając nowe zjawiska, przesuwamy te granice i zarazem rozszerzamy obszar poznania. Umożliwiają to coraz doskonalsze narzędzia. W jakimś drobnym fragmencie tego, co badamy, być może, nie ma już możliwości dalszego drążenia i trzeba pójść w inną stronę, ale nawet historycy zajmujący się starożytnością, zamkniętą datami, uważają, że ciągle mają mnóstwo do zrobienia.

Czy miał Pan na początku drogi naukowej wyraźny cel, jakieś ważne pytanie, na które należało szukać odpowiedzi?

– Dwa lata studiowałem astronomię, chcąc być i fizykiem, i astronomem. To się organizacyjnie nie udało i zdecydowałem się na fizykę. Na zjeździe studenckich kół naukowych wygłosiłem wykład, którego główną tezę powtarzam dzisiaj. Mówiłem, że materia skondensowana jest poligonem, na którym można testować wiele teorii fizycznych.

Co to jest materia skondensowana?

– Mówiąc najprościej: wszystkie ciała, jakie nas otaczają, ale także te, które potrafimy otrzymać w laboratorium. Badanie ich własności – mechanicznych, optycznych, magnetycznych, elektrycznych itd. – prowadzi do odkrywania różnych właściwości i zjawisk nie przewidywanych wcześniej. Dzisiaj wiemy, że stanów skupienia jest o wiele więcej niż stały, płynny i gazowy, jak uczono w szkole. Wiemy również, że własności zespołu cząstek bardzo się różnią od własności cząstek pojedynczych. W tym przypadku można powiedzieć, że nie obowiązuje redukcjonizm, zatem badanie struktury materii poprzez poszukiwanie cegiełek, które ją tworzą, pasjonujące samo w sobie, nie wyjaśni nam budowy wszechświata, który nie jest sumą wszystkich cegiełek.

Czy liczba tych stanów materii, jakie wynikają z różnych konfiguracji cząstek−cegiełek, jest jakoś wyobrażalna, czy może jest nieograniczona?

– Tego nie wiemy. Bez przerwy znajdujemy nieznane dotąd cegiełki, ale także potrafimy sztucznie tworzyć nowe stany materii, nowe materiały, nowe struktury, których własności i możliwości zastosowań okazują się zaskakujące.

Jest to zajęcie demiurgiczne...

– Pokazuje, że rzeczywiście nie ma granic naszych twórczych dokonań.

W jakiej mierze poddane jest regułom wynikającym z aktualnego stanu fizyki, a w jakiej zależy od indywidualnej śmiałości i wyobraźni?

– Chciałbym zwrócić uwagę na dwa zagadnienia. Po pierwsze, wiadomo, że wiele ważnych odkryć przeoczono przez brak śmiałości i wyobraźni – jakkolwiek to brzmi paradoksalnie, wielu naukowców paraliżuje strach przed nowym. Po drugie, niepełne rozumienie zjawiska nie ogranicza możliwości jego zastosowania. Na przykład, dwadzieścia lat temu odkryto zjawisko wysokotemperaturowego nadprzewodnictwa, ale jego natury ciągle nie znamy. Najprościej mówiąc, polega ono na tym, że istnieje grupa materiałów przewodzących prąd elektryczny bez oporu – elektrony poruszają się bez tarcia – i to się dzieje w bardzo wysokich temperaturach, podczas gdy w innych materiałach mamy nadprzewodnictwo tylko w temperaturach bliskich zera bezwzględnego. Choć nie rozumiemy do końca, na czym się opiera ich działanie, nadprzewodniki wysokotemperaturowe są stosowane z powodzeniem w urządzeniach elektronicznych.

Czy one występują w naturze?

– Poza tradycyjnymi kopalinami, praktycznie wszystkie materiały, które dzisiaj badamy czy wykorzystujemy, są otrzymywane w laboratorium, często w ekstremalnych warunkach, także pod względem czystości – braku jakichkolwiek zanieczyszczeń – oraz zbudowane są w postaci ściśle określonej sekwencji warstw różnych pierwiastków lub związków chemicznych. Jeśli chodzi o nadprzewodniki wysokotemperaturowe, to odpowiednie połączenie miedzi, tlenu, lantanu, strontu mogłoby wystąpić w przyrodzie, chociaż podejrzewam, że prawdopodobieństwo jest bardzo małe.

Wiem, że to nie nadprzewodniki wysokotemperaturowe są przedmiotem badań Pana Profesora.

– Jeszcze w czasie studiów trafiłem do laboratorium, gdzie zajmowano się grupą materiałów używanych do wykrywania podczerwieni – półprzewodników z wąską przerwą energetyczną – pod kierunkiem profesora Leonarda Sosnowskiego, który jest ojcem badań nad materią skondensowaną w Warszawie. Zrobiłem tam pracę doktorską w roku 1977, po czym obecny profesor, a wówczas docent, Robert Rafał Gałązka, zaproponował mi badanie materiałów, które nazwał półprzewodnikami półmagnetycznymi. Interesowało się nimi wtedy wiele laboratoriów na świecie z uwagi na szczególne własności elektryczne i magnetyczne. Od końca XIX wieku wiemy, że elektron ma ładunek elektryczny. W 1925 roku odkryto, że nie tylko porusza się w jakimś kierunku, ale także obraca wokół własnej osi, wytwarzając pole magnetyczne. Moment pędu elektronu, związany z obrotem wokół własnej osi, nazywa się spinem. W większości materiałów spiny ułożone są przypadkowo, wzajemnie się znoszą i całkowity moment magnetyczny jest zerowy. A na przykład żelazo jest takim materiałem, gdzie te maleńkie magnesiki układają się w jednym kierunku i stąd mamy mierzalny moment magnetyczny.

Rozumiem, że spintronika, która jest Pana specjalnością, bada własności materiałów związane z ułożeniem spinów w ich atomach?

– Tak jest. Dlatego nazywamy je własnościami spinowymi. Pod koniec lat siedemdziesiątych pojechałem do jednego z pierwszych laboratoriów, gdzie te własności badano w półprzewodnikach. Miałem przyjemność pracować z wybitnym specjalistą tej dziedziny, profesorem Ionelem Solomonem z paryskiej École Polytechnique, i po powrocie do Warszawy zająłem się półprzewodnikami półmagnetycznymi. Starałem się zrozumieć, jak te spiny zachowują się w obecności prądu elektrycznego, jak oddziałują z elektronami. Było to przedmiotem mojej rozprawy habilitacyjnej (1983). Interesujące mnie i moich kolegów własności tych materiałów można było obserwować, ale tylko w niskich temperaturach i w obecności pól magnetycznych.

Nie można było na ich własności wpływać w sposób zamierzony przez badacza?

– Wtedy nie, chociaż już pod koniec lat 70. z moimi magistrantami podjęliśmy doświadczalne poszukiwania sposobu uporządkowania spinów pod wpływem elektronów. Później zostały odkryte takie materiały, które wykazują własności magnetyczne bez obecności zewnętrznego pola magnetycznego. Są to półprzewodniki ferromagnetyczne, które łączą zalety półprzewodników – wykorzystywanych w tranzystorach, mikroprocesorach i laserach – oraz ferromagnetyków, stosowanych szeroko w silnikach elektrycznych, taśmach magnetofonowych, dyskach komputerowych. Pod koniec lat dziewięćdziesiątych, we współpracy z kolegami francuskimi i moimi współpracownikami w Warszawie, zająłem się pewną grupą takich materiałów. Później pojechałem na rok do Japonii i tam zbudowałem model teoretyczny ich zachowania się przy działaniu różnych czynników, który udało się potwierdzić w doświadczeniach przeprowadzonych w Warszawie, w Japonii i we Francji. Okazało się, że wyjątkową cechą tych naszych materiałów jest możliwość wpływania na ich własności światłem, polem elektrycznym, prądem elektrycznym. Uzyskuje się to znacznie łatwiej niż w ferromagnetykach metalicznych, dotąd znanych i stosowanych.

Czy już jesteśmy w spintronice?

– Tak, jest to tak zwana spintronika półprzewodnikowa, przedmiot badań wielu laboratoriów na świecie. Pierwszym „obiektem” spintronicznym wykorzystanym na szeroką skalę w praktyce jest urządzenie do odczytywania zapisu magnetycznego, które znajduje się w każdym komputerze. Płyta w twardym dysku zawiera informacje zapisane przez spiny skierowane w prawo bądź w lewo. Zależy nam na zwiększaniu gęstości tego zapisu, czyli pojemności dysku. I w ciągu ostatnich kilkunastu lat ta pojemność wzrosła tysiąc razy dzięki zastosowaniu miniaturowego czujnika pola magnetycznego, którego działanie – opisane, między innymi, w pracach teoretycznych profesora Józefa Barnasia z UAM – wykorzystuje wpływ pola magnetycznego na spiny elektronów w strukturach zbudowanych z połączenia metali niemagnetycznych i ferromagnetycznych, w których można kierować spinami elektronów. Dzięki rozwojowi spintroniki dalszy postęp jest w zasięgu ręki. Materiały, w których można kierować spinami elektronów, pozwalają zapisywać informacje na obszarach o powierzchni jednej milionowej przekroju włosa ludzkiego, a nawet jeszcze mniejszych. Taka jest skala współczesnej nanotechnologii, mówiąc najprościej, przy czym nie powiedziano bynajmniej ostatniego słowa.

Przybliżając to jeszcze bardziej laikowi, można, jak rozumiem, powiedzieć, że fizykom udało się poznać zachowanie tych małych magnesików, jakimi są spiny, czyli moment magnetyczny wynikający z obrotu elektronu wokół własnej osi. Wniknęli głębiej w strukturę materii, żeby tam oddziaływać w zamierzony sposób?

– W uproszczeniu można tak to określić. A teraz mamy następny cel praktyczny. Chcielibyśmy wyeliminować głowicę zapisującą informacje na twardym dysku, dlatego, że przesuwanie się głowicy nad nim jest stosunkowo bardzo wolne oraz bywa źródłem awarii. Jeśli namagnesowanie można by zmieniać nie, jak obecnie, polem magnetycznym cewki w głowicy, ale polem lub prądem elektrycznym, to zapis byłby około tysiąca razy szybszy i odbywał się bez zawodnych układów mechanicznych. Takie rozwiązania mamy już w pamięciach półprzewodnikowych. Kłopot polega na tym, że te pamięci są nietrwałe – wyłączenie komputera z kontaktu powoduje utratę zapisu. Dlatego przenosimy informacje na twardy dysk. To, nad czym pracujemy, byłoby połączeniem zalet pamięci magnetycznej i pamięci półprzewodnikowej. Wydaje się, że jest to kwestia kilku lat. Myślimy także o wykorzystaniu urządzeń spintronicznych do przetwarzania informacji. Tutaj przeszkodę, którą mogłyby pokonać urządzenia spintroniczne, stanowi wydzielanie ciepła przez dzisiejsze komputery – tym większe, im szybciej działają.

Czy ta przeszkoda, jak zapewne i inne, jest po stronie teorii, to jest nierozpoznania jakichś zjawisk, czy też niedostatku umiejętności praktycznego zastosowania wiedzy posiadanej przez fizyków?

– Postęp w dziedzinie, o której rozmawiamy, odbywa się dzięki wprowadzaniu nowych materiałów. Bardzo często jesteśmy w stanie pokazać, że jakieś zjawisko byłoby użyteczne, natomiast zastosowanie tego zjawiska w konkretnych urządzeniach wymaga ogromnej pracy, a z jego komercjalizacją wiąże się kwestia znalezienia odpowiednich materiałów, opłacalnych metod itd. Na przykład te ferromagnetyki, którymi się zajmuję, mają bardzo dobre własności, ale jedynie w temperaturach niższych od pokojowej, co utrudnia ich stosowanie w wielu urządzeniach. Bardzo intensywnie szukamy odpowiedzi na pytanie, co wpływa na własności ferromagnetyczne i jak znaleźć albo stworzyć materiały, w których istniałyby one także w wyższych temperaturach.

Rozumiem, że szukanie polega na rozwiązaniach teoretycznych i na eksperymentach.

– Wzajemne sprzężenie jest bardzo silne. I wręcz, powiedziałbym, codzienne. Z jednej strony doświadczenie testuje teorie, a z drugiej stymuluje nowe idee. Nie ma tu prostych recept. Czasem okazuje się, że przewidywanych czynników decydujących o czymś jest mniej niż myśleliśmy, kiedy indziej uwzględniliśmy ich zbyt mało...

Czy teoria i doświadczenie są rozdzielone między badaczy, czy też fizyk spintronik robi jedno i drugie?

– Dobrzy teoretycy powinni znać aktualne możliwości doświadczeń. Z kolei doświadczalnicy powinni wiedzieć, jakie pytanie zadać teoretykowi. Moja sytuacja jest szczególna. Kieruję grupą doświadczalną w Instytucie Fizyki PAN, a jednocześnie pracuję w Instytucie Fizyki Teoretycznej UW. Dzieje się to, naturalnie, jakimś kosztem, ale jest fascynujące.

Co jest bardziej zaawansowane? Czy może teoria i doświadczenie idą równym krokiem?

– Różnie w różnych dziedzinach fizyki. Teoretycy cząstek elementarnych czekają na nową generację akceleratorów, które pozwolą sprawdzić ich koncepcje. W mojej dziedzinie trwają próby opisu różnych materiałów z „pierwszych zasad” – punktem wyjścia jest jedynie podanie pierwiastków, które wchodzą w ich skład, a powstała struktura krystaliczna oraz własności fizyczne są obliczane zgodnie z prawami mechaniki kwantowej. Udaje się to jedynie w najprostszych sytuacjach, ale rola komputerowego projektowania nowych materiałów i struktur, w tym na przykład leków, rośnie. Powiedziałbym, że między teorią i doświadczeniem panuje równowaga. Jesteśmy sobie nawzajem potrzebni i wzajemnie korzystamy ze swoich postępów. Dlatego mogę zajmować się jednym i drugim. W projektach międzynarodowych, w których uczestniczymy, są i teoretycy, i doświadczalnicy.

Proszę na koniec powiedzieć o perspektywach spintroniki. Co jest teraz fundamentalnym pytaniem?

– Powiem może o dążeniu wspólnym dla wszystkich działów fizyki zajmujących się materią skondensowaną. Chcemy kontrolować własności materiałów w coraz mniejszej skali. Umiemy dobrze budować materiały z warstw atomowych, ale jest nadzieja, że nauczymy się tworzyć je z pojedynczych atomów. Nadzieję dają metody samoorganizacji, z pomocą których chcemy sprawić, żeby użyteczne struktury atomowe same się budowały i same naprawiały, jeśli zajdzie potrzeba. Jest tu analogia do mechanizmów biologicznych. Metody te nazywają się „z dołu do góry”. Teraz, gdy budujemy układ scalony, który ma miliard tranzystorów, to w pewnym sensie rzeźbimy te tranzystory na płytce krzemowej, a chcielibyśmy, żeby one na nasze polecenie same się układały. Drugie marzenie wiąże się z „architekturą” komputera, czyli zasadą działania, która jest bardzo stara, pochodzi z lat trzydziestych XX wieku. Pytamy, czy to jest jedyna możliwa architektura. I tutaj pojawia się pojęcie informatyki kwantowej, której podstawy teoretyczne z wielkim powodzeniem rozwija klan Horodeckich w Gdańsku. Jeśli udałoby się uczynić nośnikiem informacji spiny pojedynczych elektronów (teraz są to miliony elektronów), to proces obliczeń następowałby według zasad mechaniki kwantowej. Okazuje się, że komputery kwantowe z wieloma problemami numerycznymi radziłyby sobie dużo szybciej, na przykład z przeszukiwaniem baz danych.

W jakimś momencie musi się to zderzyć z możliwościami ludzkiego mózgu.

– Pamiętajmy, że przy imponujących możliwościach obliczeniowych komputer w pewnych sprawach jest daleko niewystarczający. Pogodę umiemy przewidywać na cztery dni naprzód, ale na dziesięć dni już nie. Komputery mają wielkie problemy z rozróżnianiem kształtów, co mózg robi bez trudu – rozpoznajemy twarz człowieka widzianego dawno i tylko przez moment. Jest to kwestia niezwykle ważna dla komunikacji przyszłości, kiedy pojazdy będą sterowane automatycznie. Wzrost mocy obliczeniowych i technologicznych przynosi zupełnie nowe zastosowania – Internet pojawił się w pewnym momencie rozwoju nieoczekiwanie – których nie potrafimy sobie nawet wyobrazić.