Libor Šmejkal: Dělat vědu na hranici poznání je jako objevovat nový kontinent

V rakouském Grazu převzala trojice fyziků Libor Šmejkal, Tomáš Jungwirth a Jairo Sinova prestižní ocenění Europhysics Prize za zásadní objev třetí skupiny magnetismu – altermagnetismus. Při této příležitosti vznikl rozhovor s Liborem Šmejkalem, který působí ve Fyzikálním ústavu AV ČR a Institutu Maxe Plancka. V textu popisuje svou cestu k oboru, proč je důležité mít v zemi silné akademie věd, a v neposlední řadě jakou sílu má zvědavost.

Jaké to bylo, když jste poprvé viděli, že se vaše teorie experimentálně potvrzují? 

Samozřejmě jsme tušili, že jde o potenciálně velkou věc, ale nevěděli jsme přesně, jak velká bude. Ono to totiž nefunguje tak, že by přišlo jedno náhlé osvícení, vy byste ráno vešli do laboratoře a bylo hotovo. Je to proces. Takových zdánlivých „osvícení“ zažijete za den několik, ale stovky z nich pak zahodíte, protože se ukážou jako lichá. 

Základem je mít otevřenou mysl, neustále přemýšlet a být ochoten permanentně měnit svůj pohled na svět. Každý večer jdete spát s tím, že to, co jste si ráno mysleli, bylo třeba úplně špatně. Člověk si na tomto procesu vybuduje až určitou závislost. Okamžiků, kdy zjistíte, že realita funguje zcela jinak, je celá řada, a pak vše vykulminuje v tom jednom objevu, který se uchytí. Už samotná cesta je nesmírně naplňující. 

Přepadl vás někdy pocit, že tudy cesta nevede a že byste raději zběhl do jiného oboru? 

Do jiného oboru ne, ale pocit, že tudy cesta nevede, mám každý den hned několikrát. Někdy vás to zavede na místa, kde byste to vůbec nečekali – přesně jako v případě altermagnetů. Tyto magnety se navenek tváří magneticky neviditelně, ale uvnitř ukrývají mimořádně silná pole. Měli jsme tušení, že by tam nějaká pole být mohla, ale jak jsou ve skutečnosti silná, jsme zjistili až díky superpočítačovým výpočtům. To bylo obrovské překvapení. 

Jindy uděláte výpočty a nerozumíte výsledku, nebo z experimentu vyjdou data, kde čekáte lineární průběh, ale naměříte něco zcela deformovaného a lámete si nad tím hlavu. Vývoj je velmi nelineární, ale o to víc vzrušující. 

Byl nějaký moment, který vás při výzkumu překvapil?

Jednoznačně nás překvapila síla oněch polí a jevů – to, že kompenzovaný magnet se vnitřně chová jako obří feromagnet. Dále nás překvapily takzvané anti-altermagnety, které mají spiny orientované úplně jinak, než by kdokoliv předpokládal. A fascinující je také rychlost nedávných experimentů. Je neuvěřitelné, jak rychle dokážeme díky skvělým kolegům přejít od čistě teoretické myšlenky přes materiálový design a simulace až k fyzické výrobě součástky a experimentálnímu ověření, že se elektrony skutečně pohybují přesně tak, jak teorie předpověděla. Někdy si sám říkám, jak je to vůbec možné stihnout tak rychle. 

Při předávání cen v Grazu byla zmíněna také Nobelova cena. Jak to vnímáte? 

Takových ohlasů si samozřejmě nesmírně vážíme. Já nad tím ale nijak nepřemýšlím – ocenění jsou příjemná, ale rozhodně to není hlavní důvod, proč vědu děláme. 

Jste ve vašem týmu velmi skromní.  Máte téměř stejnou odpověď jako pan Jungwirth – doufala jsem, že z vás dostanu něco jiného. 

Vidíte, Tomáš je opravdu můj vědecký otec! Skutečným motorem je to, když ráno vstanete a jdete za lidmi, se kterými si máte co říct a se kterými vás to baví. Pohybujete se na samotné hranici lidského poznání, kde jste v určitý moment jediní na světě, kdo vidí něco, co před vámi ještě nikdo nespatřil. Je to jako dobývání nových kontinentů, mapování neprobádané země nebo vesmíru. Tomuto pocitu se těžko něco vyrovná. 

Postavit si velký laser, to jen tak sami nezařídíte

Jak v praxi funguje vaše spolupráce s Tomášem Jungwirthem a Jairem Sinovou? Máte striktně rozdělené role? 

Funguje to velmi organicky. Známe se už více než deset let a máme to štěstí, že si také lidsky sedíme. Tomáš s Jairem vybudovali naprosto úžasnou infrastrukturu – něco, co je v českém prostředí velmi nevídané. Odbourává to zbytečné bariéry a umožňuje vám dělat vědu přesně tak, jak by se dělat měla, abyste se jí mohli plně věnovat. Tomáš byl můj hlavní školitel a Jairo druhý školitel, jsou to pro mě dva zásadní celoživotní mentoři. Věřím, že naše spolupráce bude dál pokračovat se stejnou energií a radostí jako doteď. 

Jak jste se k tomuto velmi specifickému oboru vůbec dostal? 

Studoval jsem v Brně a původně jsem měl v plánu odejít do zahraničí. Chtěl jsem se věnovat relativistické kvantové fyzice, tedy propojit Einsteinovu teorii relativity s kvantovou mechanikou mikrosvěta, ale zároveň jsem trval na tom, aby to mělo praktické aplikace. 

Když jsem hledal nejlepší světové skupiny v oboru, narazil jsem právě na Tomáše Jungwirtha v Praze. Říkal jsem si: do Česka sice nechci, lákal mě svět, ale to, co Tomáš dělá, je naprosto skvělé. Požádal jsem Václava Holého v Brně, zda by mě s ním nepropojil. Václav Holý Tomášovi zavolal a předal mi telefon. Řekl jsem: „Dobrý den, pane profesore, tady je Libor z Brna a chci u vás pracovat.“ Tomáš v tu chvíli žádné volné místo neměl, ale sešli jsme se, padli si do oka a tím začal můj doktorát. 

A co vás přivedlo k fyzice?

Bavila mě spousta věcí, ale fyzika mi šla přirozeně. Účastnil jsem se různých soutěží, například Turnaje mladých fyziků – a je skvělé vidět, že evropské týmy mají v této soutěži dodnes silnou stopu. Díky fyzice jsem hodně cestoval už na střední škole. 

Když jsem se rozhodoval o vysokoškolském studiu, uvažoval jsem o všem možném. Říkal jsem si ale, že byznys můžete dělat v podstatě kdykoliv, ale postavit si velký laser už jen tak sami nezařídíte. Zvítězila zvědavost. Šel jsem studovat do Brna, a protože mě vedle ryzí teorie fascinovaly i technologie, hledal jsem průnik. Chtěl jsem co nejsvobodnější a nejkreativnější teoretickou fyziku, která má však pragmatický rozměr – možnost vybrat z mnoha teorií ty, jež přinesou užitečný přínos lidstvu. 

Jsem vděčný, že české vzdělání stojí na rozhraní

Zmiňoval jste, že jste po studiu v Brně nechtěl v Česku zůstávat. Byla to čistá touha po zahraniční zkušenosti? 

Byla to zvědavost. Mám Česko nesmírně rád a nedám na něj dopustit, vždycky jsem počítal s tím, že se chci vrátit. Chtěl jsem si to ale vyzkoušet venku, protože už přes studentské soutěže jsem nakukoval do zahraničních laboratoří. Jsem moc rád, že jsem se nakonec vydal touto evropskou vědeckou cestou. 

Kde všude dnes působíte? 

V současnosti působím především v Německu, ve Společnosti Maxe Plancka. S Fyzikálním ústavem AV ČR intenzivně spolupracujeme dál. Drážďany a Praha jsou kousek, máme spoustu nápadů na další rozvoj společných projektů. Vlastně se paradoxně s Tomášem a dalšími pražskými kolegy vídám skoro častěji než v době svých studií. 

Když můžete srovnávat mezinárodní prostředí, jak vychází Česko v porovnání s Německem? 

Každá země má svá historická specifika. Německo je organizačně velmi specifické, panuje tam zřetelná hierarchie. Špičkové vědecké týmy jsou ale podle mě všude na světě do značné míry nezávislé na tom, kde zrovna sídlí – mají mezi sebou navzájem více společného než se zbytkem institucí v dané zemi. 

Jaké jsou vaše další ambice ohledně rozvoje spolupráce s českým prostředím? 

Chtěl bych českou vědu podporovat co nejvíce, protože máme velký potenciál. Sám jsem vděčný za to, že české vzdělání stojí na rozhraní: na jedné straně čerpá z východního vlivu, který klade velký důraz na matematiku, teorii a rigoróznost, a na druhé straně ze západního přístupu, který se rychle orientuje na nejnovější trendy a aktuální témata. Česká republika je v tomto ohledu v jakémsi „zlatém řezu“. 

Mám teď ve skupině několik skvělých studentů z Česka. Ne všichni ale u vědy nakonec zůstanou, někteří odejdou jinam, protože doma zatím nemají tolik příležitostí, kolik by bylo záhodno. Je to samozřejmě komplexní systémová otázka pro menší zemi, ale pracoviště jako to Tomášovo ukazují, že i ve střední Evropě lze dělat absolutně špičkovou vědu na hranici světového poznání. Kdykoliv k tomu mohu přispět, rád to udělám. 

Narážíte při pohledu na tuzemský systém na nějaké typické neduhy?

Snažím se vždy dívat na věci pozitivně a stavět na tom, co funguje. Spousta věcí je v Česku nastavena výborně. Jistě, bylo by skvělé získávat ještě více ERC grantů, ale například Akademie věd ČR je obrovskou předností českého systému. Je to přímý protějšek německého Maxe Plancka. Jde o instituce, kde vědci nemusejí mít nutně plné úvazky výuky. Učení mám sice hrozně rád, ale bere enormní množství času, který pak vědě chybí. Státy, které mají silné akademie věd či ústavy Maxe Plancka, mají ve výzkumu obrovskou globální výhodu. Tudy vede cesta. 

Tisíckrát lepší součástka, ale musí se vyplatit

Mohou altermagnety hrát roli v oblasti umělé inteligence? 

Předpovídat budoucnost je v tomto ohledu spekulativní, narážíte na „černé labutě“, které dopředu neodhadnete. Nicméně využití magnetických principů v AI už dnes není žádné sci-fi. Jak zmiňoval i Tomáš Jungwirth, pokud vyrábíte součástky pod 28 nanometrů, začíná být ekonomicky výhodné integrovat paměť přímo na samotný tranzistor. Tranzistor obstarává logické operace, magnet plní roli paměti, do níž se ukládá informace. 

Architektury pro AI potřebují přenášet obrovská kvanta dat extrémní rychlostí, a právě integrace magnetické paměti je technologií, která se už dnes reálně využívá s běžnými feromagnety. A co do toho přinášejí altermagnety? Mohly by nabídnout až tisíckrát rychlejší přepínání a řádově vyšší energetickou úsporu. 

Zmiňoval jste také ekologický a geopolitický aspekt ve vztahu k vzácným materiálům. 

To je zásadní výhoda. Altermagnetické jevy lze realizovat v materiálech, které nevyžadují prvky vzácných zemin (tzv. rare earths), jejichž těžba a dodavatelské řetězce jsou často politicky kompromitované. Můžeme pracovat se sloučeninami manganu a křemíku – tedy s prvky, které patří k nejhojnějším a nejdostupnějším na Zemi. Na nich náš výzkum reálně probíhá; na tomto materiálovém základu stojí i naše práce, která byla přijata k publikaci v časopise Nature. 

Co se týče zavedení do průmyslu, to si jako vědec v základním výzkumu netroufám přesně časově odhadnout. Naše práce je aplikacemi motivovaná, ale cesta od laboratorního objevu k masové výrobě závisí na globálním dodavatelském řetězci. Není to jen o tom, zda je součástka fyzikálně lepší. Musí být také levnější a průmyslu se musí vyplatit změnit stávající linky. Do řetězce vstupují návrháři čipů, výrobci polovodičů, integrátoři pouzder a výrobci koncových zařízení. 

Jaké jsou další výhody altermagnetů? A co v praxi mohou přinést?

Klíčové je, že altermagnetismus odstraňuje omezení konvenčních magnetů minimálně ve třech směrech. Prvním z nich jsou paměti. Už teď máme například ve spolupráci s MIT vyrobené funkční prototypy pamětí z těchto nekonvenčních magnetických materiálů. Zatím ale fungují jen za nízkých teplot, takže naším cílem je posunout je k těm pokojovým. 

Druhým směrem je dlouholetý sen spintroniky založený na magnetických polovodičích. Zhruba před dvaceti lety se pro ukládání dat využívaly magnetické materiály, zatímco logické operace zajišťovaly polovodiče. Vědci tehdy snili o jejich spojení do jediného „kouzelného“ materiálu, který by zvládl obojí. Tehdy to však narazilo na bariéru, protože se to nedařilo zrealizovat za vyšších teplot. A právě altermagnety tuto překážku překonávají – dnes už máme příklady materiálů, které jsou polovodiči za pokojové teploty a zároveň nesou feromagnetické vlastnosti. 

Třetí směr je sice zatím absolutně spekulativní, ale kdybychom si dovolili hodně zasnít, nabízí úplně novou perspektivu pro kvantové počítání. Když totiž spojíte jisté typy altermagnetů se supravodiči, dokážou altermagnety ovlivnit supravodivé Cooperovy páry elektronů způsobem, který by mohl posloužit k vytvoření nových kvantových bitů. Tím bychom nevylepšovali stávající technologie počítačů, ale zcela od základu změnili jejich architekturu. 

Na čem ve své výzkumné skupině pracujete právě teď? 

Ve skupině mám zhruba 12 až 16 lidí a pracujeme na řadě projektů. Jedním z našich hlavních témat, ze kterého jsme nadšení, jsou takzvané anti-altermagnety. Lze si je představit jako magnetické spirály. Ukazuje se, že tyto izolační spirálové magnety lze elektricky přepínat. Přiložením vnějšího elektrického pole dokážete překlopit chiralitu spirály z jednoho směru otáčení na opačný.  

Libor Šmejkal je teoretický fyzik a jeden z objevitelů altermagnetismu – zcela nové, třetí základní třídy magnetismu. Působí v německé Společnosti Maxe Plancka (Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids v Drážďanech), kde vede vlastní vědeckou skupinu, a dlouhodobě spolupracuje s Fyzikálním ústavem Akademie věd ČR. Specializuje se na teoretickou fyziku pevných látek, spintroniku a uplatnění relativistické kvantové fyziky při teoretickém návrhu nových materiálů.