Petr Němec: Naším výzkumným nástrojem je světlo

Profesor Petr Němec vede Laboratoř optospintroniky, společné pracoviště MFF UK a Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR, kde vyvíjí nové materiály pro rychlejší a energeticky úspornější technologie budoucnosti. Předloni získal prestižní výzkumnou podporu Donatio.

Jak jste se dostal k optospintronice, již jste jako první začal rozvíjet i v Česku?

Ke studiu materiálů pomocí laserů jsem se dostal již během diplomky a doktorátu, který jsem dělal na matfyzu u profesora Petra Malého – právě on jako jeden z prvních v tuzemsku zaváděl příslušné laserové techniky. Poté jsem odešel na postdok do Kanady, kde jsem se dostal ke spintronice, což je obor elektroniky využívající spinu elektronů k uchovávání, přenosu a zpracování informace. A po návratu se mi to podařilo propojit – optospintronika využívá světla pro manipulaci se spinem.

Jak si můžeme představit zmiňovan‎ý spin?

Spin si můžeme jednoduše představit jako šipku, která míří nahoru nebo dolů. V běžné elektronice využíváme toku elektronů – když tečou, je to logická jednička, když netečou, logická nula. A každý elektron má i svůj spin, to víme už sto let, ale donedávna jsme to nijak nevyužívali. A o to se právě snaží spintronika – využívá toku elektronů s různým spinem. Manipulace se spinem přidává další stupeň volnosti a rozšiřuje možnosti využití tam, kde se samotná elektronika již vyčerpala…

O spintronice se píše a hovoří jako o „technologii budoucnosti“. Mnohé možná překvapí, že již dnes se s ní setkáváme i v běžném životě, například ve čtecích hlavách pevných disků počítače. Co dalšího se očekává? Co nabízí?

Dnešní svět je závislý na výpočetní technice; predikce říkají, že během pár let pětina celosvětové spotřeby energie půjde na výpočetní techniku, a to je obrovské číslo. Spintronika by mohla ušetřit velké množství energie – třeba mobilní telefon by pak stačilo nabíjet jednou za měsíc, což by bylo výhodné nejen pro uživatele, ale i pro planetu. Navíc současná elektronika se již nemůže dále zrychlovat a zvyšovat svůj výkon: narážíme na fyzikální limity. Manipulace se spinem přináší další možnosti – je to jako lego –, když budete mít více různých kostiček, můžeme postavit více tvarů neboli získat nové součástky, které budou mnohonásobně rychlejší nebo třeba spotřebují jen desetinu elektrické energie.

Čeká spintronika na nějaký revoluční průlom, který by umožnil masové rozšíření?

To předem nedokáže nikdo říci (zamýšlí se). Základní výzkum jsou cihličky poznání, ze kterých můžeme stavět – bez nich bychom stále žili v jeskyni, ale předem nikdy nevíme, kdy to „dostavíme“. Někdy se také stává, že studujeme věc A a ukáže se, že to k ničemu není a jdeme od toho. Po nějaké době se najednou u projektu C ukáže, že výsledky A nebo nástroje díky tomu vyvinuté můžeme použít. A v tom je právě síla pokroku, protože vědci vždy navazují na předchozí výzkum, který před nimi udělal někdo jiný.

Vy vedete Laboratoř optospintroniky, společné pracoviště Univerzity Karlovy a Akademie věd. Jaké výhody toto spojení přináší?

Spojení napříč obory je pro nás naprosto zásadní – věda je dnes tak složitá a specializovaná, že žádné pracoviště nedokáže obsáhnout a dělat vše. Říká se, že když se objeví nový jev, trvá deset až dvacet let, než se poznatky přenesou do praxe, a hlavním limitem je překročení hranic jednotlivých oborů; trvá, než si nového jevu všimne jiná komunita a nějak ho využije. Díky spolupráci s Fyzikálním ústavem AV překračujeme hranice oborů: na výpočty teoretiků navazuje laboratorní příprava nových materiálů, ty jsou charakterizovány a výzkum je pak doveden až do fáze přípravy prototypů elektronických součástek – to by jedno pracoviště nikdy nedokázalo! A tím rychleji posouváme samotný výzkum, neboť odpadají prodlevy a čekání, zda si někdo nových poznatků všimne a naváže na ně. My je tvoříme společně.

Čemu přesně se věnujete?

Obecně se věnujeme materiálovému výzkumu a jako nástroj používáme světlo. Podobně jako když zvonař odleje zvon, tak potřebuje zjistit, zda někde není prasklý – vezme kladivo a ťukne – zvuk se rozezní a zvonař poslouchá, jak zní. Tím naším „poťukáním“ je laserový pulz, který dopadne na zkoumanou látku a ta se nějak vychýlí z rovnováhy. A my se pak pomocí druhého pulzu „díváme“, jak se vrací do původního klidového stavu, podle čehož můžeme usuzovat vlastnosti studovaného materiálu – například, jak je relaxace rychlá. Konkrétně ve spolupráci s kolegy z „Fyzikálu“ i ze zahraničí vyvíjíme nové generace počítačových pamětí, jež by mohly být až o několik řádů rychlejší než ty současné. Při tom studujeme jak běžné materiály, tak i ty zcela nové, které v přírodě samovolně nevznikají. Třeba jsme se podíleli na výzkumu, kdy během deseti let byla vytvořena v přírodě neexistující sloučenina mědi, manganu a arsenu a tento nový materiál byl následně využit pro výrobu prototypu počítačové paměti, kterou přes USB konektor připojíte k libovolnému počítači.

Vaše přístroje s oblibou využívají i zahraniční kolegové. V čem jsou jedinečné?

Přístroje jako takové nejsou jiné, obdobné mají i v zahraničí. My ale máme nejen znalosti, ale i jistý nadhled. Díky spolupráci napříč obory jsme se naučili komunikovat a používat jazyk, jemuž rozumí i vědci mimo naši úzkou specializaci. Hlavní výhodou tak je, že si vzájemně rozumíme a dokážeme jim odpovídat na otázky, které je v jejich výzkumu zajímají.

Stejně tak naše experimenty a vybavení od začátku optimalizujeme pro tento typ výzkumu a máme to již dotažené do nejmenších detailů. Pro zahraniční kolegy je tak jednodušší využít našich zkušeností a přístrojů, nežli si vše budovat od nuly (usmívá se).

V roce 2020 jste získal Donatio, co to pro vás znamená?

Jako na každé ocenění se i na tohle lze dívat ze tří úhlů pohledu. První je ten vnitřní, kdy z toho mám radost, poněvadž někdo ocenil námi dosažené výsledky. Druhý je objektivní, pomáhá to zviditelnit náš výzkum: nalákat další studenty, vysvětlovat naši práci veřejnosti, ale i získávat granty – jde o známku kvality i pro ostatní. A třetím úhlem jsou finance, které jsme ihned použili na nákup nového vybavení, což bývá z jiných prostředků obtížné. Donatio je spojeno s mým jménem, ale já jsem pouze reprezentantem celé výzkumné skupiny. Doba, kdy vědec bádal sám, je dávno pryč. Dnes je to týmová práce. Proto mi stejnou radost dělá i ocenění mých studentů a dalších členů týmu, k němuž dochází také poměrně často.