Jednou ze tří vítězek letošního ročníku soutěže L'Oréal UNESCO Pro ženy ve vědě, Česká republika 2022 se stala nadaná fyzička Evgenia Chitrova, která působí ve Fyzikálním ústavu Akademie věd (FAV) ČR. Odbornou porotu zaujala svým výzkumem kovové sloučeniny s názvem ditellurid uranu (UTe2). „Tento materiál je za běžných podmínek prakticky nezajímavý, ale po ochlazení se stává nekonvenčním supravodičem a jeho poznání by mohlo otevřít cestu k aplikaci v kvantových počítačích,“ říká o svém výzkumu mladá vědkyně.
Co bylo vaším impulsem pro přihlášení se do soutěže? Tato soutěž se pořádá už roky a jejím smyslem je podpora žen ve vědě do čtyřiceti let. Soutěžící musí podat vědecký projekt, mít relevantní CV, publikace v odborných časopisech, odezvy na konferencích i jiná ocenění vědeckých výstupů. Každý rok nám na Fyzikální ústav AV chodí newsletter s informací, že se mohou podávat přihlášky k dalšímu ročníku, takže tentokrát jsem se rozhodla, že se přihlásím. Vidím smysl v tom, co dělám. Věnuji se totiž základnímu výzkumu, takže třeba u mě nelze ještě hodnotit nějakou aplikovatelnost. Avšak tím, že pochopíme, jak funguje příroda, může nějaký další odborník navázat na mou práci v aplikovaném výzkumu.
Ve svém výzkumu se zabýváte materiálem UTe2, což je supravodič. Jenomže supravodiče mohou být konvenční a nekonvenční, jaký je mezi nimi rozdíl? V obecné rovině jsou supravodiče kovové materiály, které mají nulový odpor. Jenomže aby se daný materiál dostal do supravodivého stavu, je nutné jej zchladit pod kritickou teplotu, která je u každého jiná, většinou opravdu velmi nízká. Při přechodu do konvenčního supravodivého stavu se za pomoci jakési kvazičástice fononu spojují elektrony do Cooperových párů s opačně orientovanými spiny. Fonony nazýváme kmity krystalové mříže. Jenomže toto spojení je velmi křehké a vyšší teplota nebo například i slabé magnetické pole jej zničí. Vědci už dokonce za pomoci počítačové simulace nalezli a prakticky vyzkoušeli materiál hydrid lantanu, který je supravodivý, když se ochladí „pouze“ pod −23 °C, což je mimochodem zatím nejvyšší dosažená teplota přechodu do supravodivého stavu. Ale problém je v tom, že supravodivost za této teploty vzniká pod obrovským tlakem, proto zatím není ani hydrid lantanu využitelný v aplikacích. Oproti tomu se u nekonvenčních supravodičů, jako je například Ute2, netvoří Cooperovy páry elektron-fononovou interakcí. Mohou se tak párovat i elektrony se stejnou orientací spinů, což výrazně mění supravodivé vlastnosti materiálu. Zatím pořádně nevíme, co elektrony drží pohromadě, ale výsledkem je, že supravodivost je velmi odolná vůči vnějšímu magnetickému poli. V UTe2 se Cooperovy páry rozpadají v ohromném poli nad 65 T (tesla), což přesahuje magnetická pole v běžných laboratořích.
Čím ještě je materiál UTe2 zajímavý? Kromě toho, že odolává magnetickému poli, je na něm zajímavé i to, že se v různých krystalických směrech chová jinak. Když se krystal změří v jednom směru, supravodivost zmizí v poli 38 T. Když se krystal pootočí, supravodivost mizí až v poli 65 T. A nikdo zatím moc dobře nechápeme, co se v materiálu děje. Zatím je tu více záhad než odpovědí. Proto jsem se začala zabývat jeho zkoumáním a zkouším vytvářet tenké vrstvy UTe2, naprášené na vhodnou podložku tak, aby se dal krystal sledovat v různých směrech. Zvolením vhodné podložky se přirozeně roztáhne či stlačí krystalická mřížka, čímž se změní směry, krystalická struktura i mikrostruktura. UTe2 se tedy bude chovat pokaždé jinak, a i když není sám o sobě magnetický, je možné jej výběrem vhodné podložky dostat do magnetického stavu. Cílem mého bádání je tedy najít mechanismus ovládání vlastností tohoto materiálu a tento mechanismus jasně definovat.
V souvislosti s materiálem UTe2 jsem narazila také na termín Majoranovy fermiony. Co si pod tímto tajemným názvem představit? Majoranův fermion je v podstatě taková mytická částice, předpovězená teoreticky, dosud však zatím nenalezená. Její existenci předpověděl italský teoretický fyzik Ettore Majorana v roce 1937 tak, že určitým způsobem přepsal velmi známou Diracovu kvantovou relativistickou rovnici, která popisuje chování elektronů — částic se záporným elektrickým nábojem a s poločíselným spinem. Vyšlo mu, že existují kvazičástice, respektive částice, které sobě samy mohou být antičásticí, a přitom být neutrální. V podstatě měl na mysli něco jako neutrina, která ale v té době ještě nebyla známá. Jenže klasická neutrina a antineutrina to být nemohou, protože pro ně platí zákon zachování leptonových čísel. Podle tohoto zákona je totiž součet všech leptonů (tedy částic, na které nepůsobí žádná jaderná síla) před reakcí roven součtu všech leptonů po reakci. Takže vědci stále hledají, jaká částice by mohla být sama sobě antičásticí, má ale zároveň poloviční spin a je neutrální.
V časopise Nature se objevila informace, že se pravděpodobně podařilo Majoranovy fermiony na povrchu UTe2 nalézt. Je to pravda? Co se týče fyziky elementárních částic, tak samotný Majoranův fermion zatím objeven nebyl. Ale ano, množí se zprávy, že byly za pomoci té nejmodernější techniky na povrchu UTe2 nalezeny takzvané Majoranovy mody. Respektive vědci zaznamenali, že se povrch jako celek chová jinak než vnitřek vzorku. Osobně jsem k tomu ale trochu skeptická, protože na povrchu zkoumaného materiálu dochází samozřejmě k oxidaci, a tedy i ke zkreslení. Pro relevantní výsledky musíme mít úplně čistý vzorek, úplně čistý povrch a pokročilou techniku, abychom dokázali něco takového pozorovat. A i když to náhodou opravdu zpozorujeme, musíme dokázat experiment se stejnými vstupními parametry a stejným výsledkem několikrát zopakovat. A to, mám pocit, se ani u jiných materiálů nestalo. Bez těch opakovaných zkoušek nemáme důkaz, že Majoranovy fermiony opravdu existují. Takže zatím tyto zprávy vnímám spíše jako zbožné přání, které je otcem myšlenky, protože každý chce Majoranův fermion nalézt. I když samozřejmě není vyloučeno, že jej vědci opravdu už pozorovali, protože materiál UTe2 podmínky pro to, aby se v něm Majoranovy fermiony vytvořily, splňuje.
Pokud bychom připustili, že vědci opravdu Majoranovy fermiony pozorovali, co to vlastně pro lidské poznání znamená? Tyto částice by mohly například nést v podobě qubitů informace v kvantových počítačích. UTe2 je supravodič a magnetické pole na něj nemá vliv, takže informace by se přenosem neztrácela z důvodu porušení Cooperových párů. Právě proto, že je takto odolný, tak je zatím asi nejlepším kandidátem na to, že by se z něj stal qubit. Ale všechny tyto vlastnosti má UTe2 až pod teplotou 2 K, což je −271 °C. To znamená, že bychom i v případě, že by se Majoranovy fermiony nalezly a staly qubity, museli počítače chladit tekutým heliem. Což je samozřejmě náročné, ale u tzv. kvantových počítačů běžné. Není ale stále jasné, jak bychom do částice informaci zapsali a jak ji přečetli, když je částice neutrální a zatím vlastně není ani izolovaná. Ale třeba za 10 let už může být vše jinak, vědci každý den hledají cestu k tomu, abychom se s těmito překážkami dokázali vypořádat.
Když se ještě nakonec vrátíme zpátky k vašemu výzkumu, jaký okamžik by pro vás byl jeho vrcholem? Určitě ten, kdy bych dokázala najít způsob, jak výrazně zvýšit teplotu přechodu do supravodivého stavu v UTe2. Ale k tomu je zatím opravdu daleko. Teď jsme ve fázi, že zkoumáme základní vlastnosti materiálu. Už víme, že se hranice kritické teploty tlakem dá posouvat, ale zatím maximálně do 4 K, což je −269 °C. Takže stále experimentuji. Když vybírám podložku, na niž chci nanést tenkou vrstvu UTe2, dívám se na její krystalickou mřížku a volím ji podle toho, čeho chci vlastně dosáhnout. Pak třeba studuji tlak, který za pomoci vhodné podložky v té tenké vrstvě vytvořím. Dalo by se tedy říci, že vhodnou volbou podložky mohu ovlivnit mikrostrukturu a vlastnosti materiálu, a toto zjištění mě žene ve výzkumu dál. Pokud se mi jednou podaří udělat čistou, krásnou a supravodivou vrstvu, tak třeba časem dokážeme navíc zkoumat i Majoranovy fermiony. Možnosti tady k tomu na Fyzikálním ústavu jsou. /Kristina Kadlas Blümelová/
