Materiálový výzkum Filipa Křížka byl oceněn akademickou prémií Lumina Quaeruntur od Akademie věd ČR. Vědec pracuje na vývoji nových materiálů a součástek nové generace pro kvantové technologie. Usiluje o zakomponování magnetického prvku do již zavedených materiálů typu polovodič–supravodič. Filipovým cílem je vyvinout materiál, který umožní využívat co nejefektivněji a nejpředvídatelněji speciální vlastnosti, které každý z těchto tří základních pilířů fyziky pevných látek vnáší do funkcionality výsledné součástky.
Kvantové počítače jsou zatím velkou vzácností. Jejich rozvoj a rozmach závisí mimo jiné na materiálovém výzkumu – tedy na vývoji extrémně přesných, čistých a stabilních součástek s odpovídajícími vlastnostmi. To je to, čím se zabýváte? Jak vaše práce vypadá?
Moje práce se soustředí na zkoumání unikátních kvantových vlastností elektronů v komplexních heterostrukturách, které vznikají kombinací vysoce kvalitních krystalických vrstev s přesně vybranými vlastnostmi. Na teplotách blízko absolutní nule se v elektronických součástkách vytvořených z těchto materiálů děje hromada unikátních, a často nedostatečně experimentálně popsaných jevů, které můžou hrát významnou roli při budování konceptů funkčních kvantových technologií (např. kvantových počítačů).
Základním kamenem našeho výzkumu je epitaxe z molekulárních svazků (MBE), což je technika umožňující nanášet na substrát jednotlivé vrstvy všech tří složek (polovodič, supravodič, magnet) s atomární přesností a v podstatě bez jakýchkoli nečistot. Když je materiál připraven, je třeba z něj vyrobit elektronické součástky konkrétního tvaru a s teoreticky dobře předpovídatelnou funkcionalitou. K tomu slouží elektronová litografie – cílový design připravíme v počítači, litograf dle zadání vzor „natiskne“ na připravený materiál, a to s rozlišením na úrovni desítek nanometrů.
Právě kvůli náročnosti námi navrhovaných součástek na přesnost a rozlišení litografie (cca 15–20 nanometrů), nebylo před pořízením nového elektronového litografu možné o zaměření našeho výzkumu tímto směrem ani uvažovat. Z mého pohledu je pro úspěch tohoto projektu nutné mít kvalitní vybavení pro růst materiálů, jejich pokročilou charakterizaci, elektronovou litografii a měření na nízkých teplotách, což kombinuje zázemí v oddělení Spintroniky a nanoelektroniky společně s investicí do nového kryostatu v rámci prémie Lumina Quaeruntur. Experimentální práce je tedy nadmíru pestrá z hlediska využití pokročilých technik a zároveň nás z hlediska porozumění interakcí v těchto materiálech posouvá do neprobádaných vod a klade tak značné nároky na jejich teoretický popis a porozumění.
Co přináší přidání magnetu do zavedených materiálů typu polovodič–supravodič?
Supravodivost je vlastností některých materiálů, ve kterých kolektivní chování a korelace elektronů na velmi nízkých teplotách vyúsťuje v řadu unikátních fyzikálních jevů. Nejzákladnější charakteristikou je asi bezodporový tok elektrického proudu, ale související fyzika je daleko bohatší. Když se zaměřím na to nejjednodušší, tak zakomponovaní polovodiče do supravodivých součástek hraje roli jakéhosi „ventilu“. Ten nám umožnuje velmi jemně ladit tok „superproudu“ a další supravodivé vlastnosti v našich součástkách pomocí lokálně snadno generovatelného elektrického pole.
Dokážeme tak supravodivost studovat v režimech, kterých by se v čistých supravodičích dalo dosáhnou spíše štěstím než úmyslem. Znovu velmi zjednodušeně, přidání magnetického materiálu umožňuje kromě důležitého lokálního ladění jemných magnetických polí (takový další více sofistikovaný „ventil“) také využít některé spintronické koncepty, které souvisí s manipulací spinu elektronů, zde přímo v supravodivém stavu. Teoretické předpovědi v takových součástkách otevírají mnoho velmi zajímavých možností. Hlavní překážkou je však, že přítomnost magnetického materiálu ve většině případů „zabije“ supravodivost. Proto se náš projekt soustředí především na zakomponování relativně nekonvenčních antiferomagnetů, altermagnetů a feromagnetických polovodičů.
Lumina Quaeruntur je velice prestižní prémie Akademie věd ČR. Je oceněním pro význačné a perspektivní vědecké pracovníky, kteří svými tématy významně posouvají hranice poznání. Jak to prožíváte vy?
Chápu to jako takové vyústění všeho, co jsem dosud dělal. Začínal jsem na Fyzikálním ústavu AV ČR, kde jsme vyráběli polovodičové nanodráty pro solární články. Pokračoval jsem na doktorát do Kodaně, kde se to posunulo trochu jinam. Byl jsem ve skupině napojené na Microsoft, která se také zabývala nanodráty, ale motivací byl vývoj materiálů pro topologické kvantové počítání. Hlavní myšlenka zde byla založená na propojení polovodiče a supravodiče ve kvazijednodimenzionálním systému (např. ve formě nanodrátů). Šlo o celkem komplexní projekt – kromě růstu nanokrystalů v MBE laboratoři jsem se tak mohl věnovat i kompletní přípravě kvantových elektronických součástek pomocí litografie a jejich měření na nízkých teplotách.
Pak jsem se vrátil do Prahy a chtěl už zůstat. Ale kamarád z doktorátu, který pracoval ve švýcarské pobočce IBM, potřeboval někoho, kdo by prostřednictvím stipendia pomohl v laboratoři Wernera Wegscheidera na ETH v Curychu s výrobou hybridních (supravodič+dvoudimenzionální polovodič) materiálů. Trochu jsme se dohadovali o tom, jak dlouho tam budu. Přišlo jim divné, že jejich super nabídku na tři roky chce někdo krátit, ale nakonec jsem uprosil jen rok a půl. Mám to totiž tady v Praze i na FZU rád. Zkušenosti získané v Curychu mi umožnily posunout se od výzkumu hybridních materiálů s přirozeně kvazijednodimenzionální geometrií polovodiče k technicky náročnějším, avšak z technologického hlediska lépe škálovatelným a ovladatelným dvoudimenzionálním elektronovým plynům. Ty se tehdy v podstatě připravovaly jen v jedné nebo dvou laboratořích na světě a díky jejich napojení na Microsoft nebyly širší vědecké obci úplně dobře dostupné.
Po čase se mi ozvali kolegové z Kodaně. Měli zájem o materiál, který jsem připravoval v Curychu. Zkusil jsem ho vyrobit dle svého původního curyšského receptu, i přes to, že někteří velmi zkušení kolegové mě varovali, že to asi nepůjde. V našem MBE v Praze se totiž nesoustředíme jen na polovodiče, je tedy trošku „špinavé“, protože v ultračisté aparatuře používáme daleko větší spektrum materiálů, než naši švýcarští kolegové. Špinavé zde stále znamená jednu z nejlepších úrovní vakua, které se ve větších experimentálních zařízeních dosahuje (od 10–12 po 10–11 milibarů), ale dvoudimenzionální elektronové plyny špatně snášejí jakoukoli úroveň nečistot. Celý příběh by byl na delší povídání, důležité je, že materiál teď umíme připravit i v našich ultračistých, ale zároveň trošku špinavých podmínkách.
Tudíž se spojilo několik věcí dohromady: získal jsem znovu přístup do Kodaně, kde se kolegové intenzivně zabývají kvantovým transportem a chtějí pracovat s materiály, které já umím vyrábět. Za druhé je navzdory očekávání mohu růst v našem MBE zařízení bez toho, abych jakkoli omezil naše ostatní projekty zaměřené na jiné materiály. To dřív nikdo nepovažoval za možné. A navrch jsme pořídili z infrastrukturních grantů OP JAK dva nové přístroje – elektronový litograf a elektronový mikroskop s iontovým svazkem, které mi umožňují vyrábět z materiálů součástky potřebných nanorozměrů a provádět pokročilejší formy materiálové charakterizace.
Jaké konkrétní vize budete moct realizovat díky prémii?
Lumina má obrovskou výhodu, že jsou v ní peníze na investice. Co nám nyní opravdu chybí, je odpovídající kryostat. Jako supravodič se nejčastěji používá hliník, který má různé vhodné vlastnosti, ale bohužel také kritickou teplotu 1,2 kelvinu, což je bez překonání mnoha nepříjemností zároveň i limit našeho vektorového magnetu. My bychom však potřebovali dosahovat ještě nižších teplot, protože většina studovaných jevů je velmi citlivá na termální šum. Pokud využijeme finance z Luminy a přidáme prostředky z oddělení, můžeme pořídit kryostat, který dosáhne teploty až 50 milikelvinů. Zároveň je možnost pořídit kryostat suchý, bez nutnosti zalévání tekutým heliem. Bez toho by možná tekuté helium při dnešních cenách a časové náročnosti měření spolklo finance z Luminy všechny. Když se nám podaří kryostat pořídit, budeme mít spolu s MBE růstovou technikou, litografií a charakterizačními metodami k dispozici vše potřebné pro výrobu a kalibraci součástek. Ty pak můžeme sdílet s partnerskými laboratořemi s více specificky zaměřenými kryostaty a ponořit se s nimi hluboko do sledování fyziky v našich materiálech.
Lumina pro vás tedy znamená hlavně přístrojovou investici?
Lumina pro mě znamená především studenty. V našem oboru vidím velký prostor pro doktorandské projekty – studenti se u nás mohou hodně naučit a dosáhnout zajímavých výsledků. Navíc je toho opravdu hodně, co chceme dělat, a musím přiznat, že s tímhle projektem vážně potřebuju pomoct. V laboratoři pracuju rád, ale čtyři páry zkušených rukou navíc znamenají velký rozdíl. Představuji si zatím malou skupinu, pro začátek dva doktorandy – jednoho, který by se více věnoval materiálové části, a druhého, který by se věnoval charakterizaci součástek. Zároveň si myslím, že projekt poskytuje prostor také pro mladší studenty. Rutinní záležitostí je například měření a analýza kvantového Halova jevu nebo spin-orbitální interakce v dvoudimezionálních elektronových plynech. Oproti zbytku projektu je to relativně triviální, ale pro mladší studenty podle mě super téma. A nám by tím určitě značně ulehčili práci a uspořili čas.
Jak jste se k materiálové fyzice dostal vy? Jako střední školu jste si vybral obchodní akademii, takže setkáním se skvělým učitelem fyziky na ZŠ to asi nebylo.
K vědě jsem se dostal náhodou, trochu spletitou cestou. Moje máma chtěla, abych studoval. Ale po maturitě z obchodky člověk řekněme nemá moc znalostí nutných k přijímacím zkouškám. Náhodně jsem tedy prošel přes Scio testy a přijali mě na Národohospodářskou fakultu VŠE. Moc mě to nebavilo, ale nějak jsem to zvládal a navíc přitom mohl chodit normálně do práce. Po třech semestrech jsem si to stále moc neoblíbil, ale nechat jen tak školy by asi zklamalo rodinu.
Naštěstí mi někdo řekl, že na Fakultu jadernou a fyzikálně inženýrskou ČVUT berou bez přijímaček. Tak jsem se vykašlal na VŠE a zapsal se tam. To víte, doma klid a pro mě levnější tramvajenka. Šel jsem na úvodní semináře před začátkem studia, a zdálo se mi, že studovat fyziku by pro mě mohlo mít větší smysl, tak jsem reálně nastoupil. Jenže se znalostí matematiky a přírodních věd z obchodní akademie to nebylo nic moc. V prvním semestru jsem zvládl jen jednu zkoušku, matematickou analýzu, a dosáhl na minimální počet kreditů. Ale pak jsem to nějak dohnal, přestal jsem s prací a začal normálně studovat. Ve čtvrťáku jsme měli předmět s Tondou Fejfarem z Fyzikálního ústavu a udělovali falešné Nobelovky za ročníkové práce. Já jsem v tom hlasování vyhrál a díky tomu sebral odvahu zeptat se Tondy, jestli bych mohl u něj dělat diplomku. Zní to trošku absurdně, ale při studiích jsme neměli pocit, že je možnost jen tak se zeptat a pak dělat diplomovou práci na FZU. Dneska tu člověk sedí a často doufá, že se nějaký student jednou jen tak sám zeptá... A ne že je budeme muset usilovně shánět po všech čertech.
Materiály jsem si asi vybral taky trochu proto, že jsem si nikdy nemyslel, že jsem zrovna geniální. Pro mě je moje práce trošku víc alchymie než fyzika. Růstový proces v MBE se v podstatě nedá teoreticky předvídat a úspěch je silně založen na zkušenostech a nějaké formě nabytého citu pro věc. Snad to není moc arogantní, ale mám pocit, že mi to docela jde. A baví mě to. Nejlepší samozřejmě je, když můžeme pracovat na materiálu, pro který má někdo nějakou zajímavou vizi, a my mu naším úsilím můžeme pomoct ji realizovat. Důležité pro mě je, že nám lidé věří, že když jim dáme nějaký materiál, tak se snažíme ho připravit co nejlépe a sami ho co nejvíce charakterizovat, abychom mu předtím, než ho vypustíme, opravdu rozuměli.
Autorka: Věra Ondřichová
Zdroj: Fyzikální ústav AV ČR
- Autor článku: ne
- Zdroj: Akademie věd ČR
