Gość "Konspektu" 

O fizyce i spintronice

Wywiad z prof. Tomaszem Dietlem

Stanisław Skórka: Na początku chcielibyśmy zapytać o przyznaną Panu Profesorowi nagrodę „Agilent Technologies Europhysics Prize”. Jak można się było dowiedzieć z licznych informacji prasowych i internetowych, otrzymał ją Pan, David Awschalom z USA i Hideo Ohno z Japonii za: „pionierskie badania dotyczące półprzewodników ferromagnetycznych oraz za opracowanie nowych metod kontroli namagnesowania i spójności kwantowej”. Czego dotyczą owe badania i jakie jest ich znaczenie dla tzw. zwykłego człowieka?

Tomasz Dietl (Instytut Fizyki PAN, Instytut Fizyki Teoretycznej UW):- Na naszych oczach zachodzi rewolucja informacyjna. Opanowuje ona coraz rozleglejsze obszary naszego życia. Jej rozwój wynika z podwajającej się co półtora roku ilości informacji przetwarzanej, przechowywanej i przesyłanej przez jednostkę powierzchni odpowiednich urządzeń - mikroprocesorów, pamięci, światłowodów. Pełnometrażowy film, który zajmuje ok. miliarda komórek pamięci (bitów), mieści się dzisiaj na jednym centymetrze kwadratowym powierzchni dysku i może być przesłany w ciągu sekundy w dowolne miejsce, gdzie dociera odpowiedni światłowód. Od ponad czterdziestu lat postęp elektroniki klasycznej polega na nieustannej miniaturyzacji tranzystorów i komórek pamięci. Jest jednak oczywiste, że istnieją fizyczne i techniczne granice dalszej miniaturyzacji. Potrzebne są więc jakościowo nowe pomysły. Jedną z propozycji jest spintronika, nowa dziedzina wiedzy, w której otrzymano wyniki wyróżnione w 2005 r. prestiżowymi nagrodami Europejskiego Towarzystwa Fizycznego i Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego.

S.S.: A zatem czym jest owa spintronika? Czy mógłby Pan określić, jaki jest obszar zjawisk naukowych, których badaniem się zajmuje, w jakiej dziedzinie życia możemy lub będziemy mogli korzystać z jej osiągnięć? Czy w ogóle możemy mówić o włączeniu jej w ramy jakiejkolwiek istniejącej gałęzi fizyki?

- Jak wiadomo, prąd elektryczny przenoszą elektrony. Sterowanie przepływem ładunku pozwala na operacje dodawania i mnożenia w komputerach oraz na wzmacnianie sygnału w telefonach komórkowych. Elektrony posiadają jednak nie tylko ładunek elektryczny, ale i spin - obracają się wokół własnej osi. Taki wirujący ładunek wytwarza pole magnetyczne - elektron jest więc także miniaturową igłą magnetyczną. W tzw. materiałach ferromagnetycznych, do których na leży oczywiście żelazo, spiny wszystkich elektronów ustawiają się w jednym kierunku. Powstaje w ten sposób makroskopowy moment magnetyczny, który może reagować na zewnętrzne pole magnetyczne. Od wieków wykorzystujemy to w nawigacji. Nieco krócej, ale także już od blisko pięćdziesięciu lat, w celu zapisania informacji magnesujemy taśmy lub płyty magnetyczne polem magnetycznym wytwarzanym zwojnicą, przez którą płynie prąd elektryczny.
Zadaniem elektroniki spinowej (spintroniki) jest poszukiwanie materiałów oraz zjawisk fizycznych związanych ze spinem elektronu, które mogą stanowić podstawę budowy jakościowo nowych urządzeń technologii informatycznych. W urządzeniach tych spin elektronu służyłby nie tylko do przechowywania informacji, ale także do jej przetwarzania i przesyłania. W serii naszych prac, z których wiele ukazało się w „Science" i "Nature”, pokazaliśmy - mówiąc w wielkim skrócie - w jaki sposób można sterować namagnesowaniem, a nawet pojedynczymi spinami, oraz opracowaliśmy nowe materiały, które łączą zalety półprzewodników i ferromagnetyków.

S.S.: Czy sądzi Pan, że po otrzymaniu nagrody, dziedzina którą się Pan zajmuje - spintronika, a wraz z nią fizyka - stanie się w Polsce popularna, lub wręcz modna, wśród naukowców?

- Nagroda ta potwierdza moje przekonanie, że w Polsce - szczególnie od czasu, gdy staliśmy się krajem niepodległym, demokratycznym i otwartym na świat - można prowadzić badania naukowe na światowym poziomie. Przyznanie nagrody stanowi uznanie dla całego środowiska fizyków w Polsce, którego spora część zajmuje się szeroko pojętą spintroniką. Dziedzina ta jest dobrze znana - zajmowano się nią nie tylko podczas specjalistycznych warsztatów. Była także tematem wielu odczytów plenarnych na konferencjach poświęconych przeglądowi najciekawszych wydarzeń w fizyce. Nie mam wątpliwości, że dziedzina ta jest już popularna wśród naukowców.

S.S.: Jakie są Pana dalsze plany zawodowe? Czy osiągnięty sukces naukowy dał Panu dodatkową motywację do dalszych badań w zakresie spintroniki, czy też może pojawiło się poczucie spełnienia w tej dyscyplinie i chęć zmiany dotychczasowych zainteresowań?

- Nagrody nie otrzymaliśmy za jedno spektakularne odkrycie, ale za konsekwentne i uparte dążenie do celu, jakim jest zrozumienie zjawisk spinowych w półprzewodnikach, opracowanie nowych materiałów oraz wykorzystanie ich do stworzenia elektroniki nowej generacji. Badania te łączą w niezwykły sposób wyzwania intelektualne fizyki wielu atomów z możliwością zastosowań praktycznych. Chociaż istnieją już działające urządzenia spintroniczne, ciągle nie wiemy, czy technologia ta zwycięży w przyszłości. Chcemy spowodować, żeby tak się stało. Prace, które prowadzimy w tym kierunku w Warszawie, finansowane są przez Komisję Europejską oraz Japońską Agencję Nauki i Technologii. Podobnie jak moi koledzy zamierzam więc dalej pracować w tej dziedzinie i otrzymać nowe, zauważone na świecie wyniki.

S.S.: Mówi się, iż nagroda ta jest wskazówką dla Komitetu Noblowskiego. Jak Pan ocenia swoje szanse na otrzymanie tego najsłynniejszego w świecie wyróżnienia? Jakie inne kryteria - oprócz tego - bierze pod uwagę Komitet, decydując o przyznaniu Nobla z fizyki?

- Sądzę, że spintronika znalazła się na długiej liście zagadnień naukowych, które bierze pod uwagę Komitet Noblowski. Wiąże się to z przyznanymi już prestiżowymi nagrodami, licznymi zaproszeniami do wygłoszenia odczytów plenarnych, długą listą cytowań naszych prac przez innych autorów oraz ciągle rosnącą liczbą laboratoriów zajmujących się tą tematyką. Należy jednak pamiętać, że Komitet lubi zaskakiwać swoimi niestandardowymi, ale trafnymi decyzjami - w 2000 i 2003 r. przyznano Nagrody Nobla z fizyki za wybitne prace z lat 50. Przyznanie nam nagrody Europejskiego Towarzystwa Fizycznego pokazuje, że możemy mierzyć wysoko.

S.S.: Jakimi osiągnięciami w zakresie szeroko pojętej fizyki możemy się jeszcze pochwalić na świecie?

- W moim subiektywnym odczuciu obok spintroniki nie wywołałyby zdziwienia nominacje fizyków polskich do Nagrody Nobla w dziedzinie poszukiwania planet i ciemnej materii poza naszym Układem Słonecznym oraz w teorii stabilności superciężkich jąder atomowych. Oczywiste jest jednak, że nic nie dzieje się samo. Spowodowanie, aby Polacy pojawili się na krótkiej liście potencjalnych kandydatów do Nobla wymagałoby ogromnego wysiłku i współdziałania całego środowiska fizyków, a także osób związanych z organizacją i finansowaniem badań naukowych.

S.S.: Powspominajmy. Jak zaczęła się Pańska przygoda z fizyką? Kiedy zainteresował się Pan tą dziedziną wiedzy?

Prace nad zrozumieniem zjawisk spinowych w półprzewodnikach, które prowadzimy w Warszawie finansowane są przez Komisję Europejską oraz Japońska Agencję Nauk i Technologii. Podobnie jak moi koledzy zamierzam dalej pracować w tej dziedzinie i otrzymać nowe, zauważone na świecie wyniki

- Fizyka pojawiła się w piątej klasie szkoły podstawowej i od tego czasu nie miałem wątpliwości, że będę fizykiem. Czytałem wtedy wiele książek popularnonaukowych. Dużym przeżyciem był mój pierwszy odczyt na zjeździe studenckich kół naukowych w Łodzi w 1972 r., gdzie wykazywałem na podstawie wykonanych doświadczeń, że mały kawałek półprzewodnika jest areną niezwykłych zjawisk fizycznych.

S.S.: Rok 2005 ogłoszony został Światowym Rokiem Fizyki, do jego założeń programowych należy, oprócz popularyzacji tej dziedziny, kreowanie i podkreślanie wzorców interdyscyplinarnej współpracy i postaw społecznych oraz zachęcenie środowisk humanistów do współdziałania. Co Pan sądzi o możliwości prowadzenia wspólnych badań przez fizyków lub przedstawicieli innych nauk ścisłych z humanistami?

- Ogromne sukcesy biologii molekularnej wiążą się m.in. z szerokim wykorzystaniem metod doświadczalnych opracowanych przez fizyków. W nieco mniejszym stopniu, ale zauważalnej skali, wiele teorii opracowanych przez fizyków do opisu, np. układów nieuporządkowanych lub chaotycznych, znajduje zastosowania w naukach społecznych. W warszawskim Ośrodku Badania Układów Złożonych psychologowie i socjologowie pracują z fizykami. W ekonomii używa się terminu „rewolucja formalna” w celu opisania procesu przenikania teorii fizycznych do ekonomii. Innym przykładem są prace związane ze sztuczną inteligencją, a w szczególności automatycznym tłumaczeniem, gdzie np. poloniści i romaniści tworzą zespoły naukowe z informatykami.

S.S.: To sytuacja niecodzienna, bowiem powszechnie wydaje się, iż nauki ścisłe oddzielone są grubą kreską od humanistycznych. Często zdarza się, że humaniści nie znają i nie rozumieją języka naukowego stosowanego przez fizyków, podczas gdy ci drudzy są w stanie pojąć treść tekstu naukowego napisanego przez humanistę. Czy Pana zdaniem można zainteresować zagadnieniami fizyki humanistów, a jeżeli tak, to w jaki sposób?

- Muszę się tu przyznać, że często lepiej rozumiem tekst „humanistyczny”, niż artykuł kolegi z sąsiedniego piętra Instytutu Fizyki Teoretycznej. Ale pytanie, jak sądzę, porusza trzy dalsze zagadnienia. Jedno dotyczy minimum wiedzy - z fizyki, biologii, chemii, techniki, ale także z socjologii, psychologii i ekonomii - niezbędne, by móc skutecznie poruszać się w dzisiejszym świecie i świadomie podejmować decyzje np. o zakupie urządzeń technicznych, usług bankowych czy żywności. Drugi problem to pytanie, czy można uważać się za człowieka wykształconego, a równocześnie przyznawać, że z naukami przyrodniczymi i ścisłymi miało się ostatni raz kontakt w szkole i nic się już nie pamięta. No i wreszcie trzecie zagadnienie: w jakim stopniu jest możliwe uprawianie np. filozofii bez znajomości osiągnięć nauk szczegółowych, w tym fizyki. Wydaje mi się, że ze względu na dynamiczny rozwój nauki i zalew nowymi jej osiągnięciami, nie ma prostej odpowiedzi na te pytania. Chociaż wiele pasjonujących odkryć będzie miało miejsce na styku różnych dziedzin, nieuchronna jest dalsza specjalizacja i pogłębiająca się hermetyczność artykułów naukowych pisanych dla kolegów, którzy jeżdżą na te same konferencje i czytają te same czasopisma naukowe.

S.S.: Porozmawiajmy o roli mediów w popularyzowaniu nauki na przykładzie czasopism i telewizji. Pamiętam, z jakim zainteresowaniem moje pokolenie oglądało program popularnonaukowy „Sonda”, prowadzony przez Zdzisława Kamińskiego i Andrzeja Kurka. W sposób fascynujący i atrakcyjny potrafili oni opowiadać, m.in. o teoriach fizycznych i nowinkach technicznych. Dziś, prawdopodobnie jedynym przedstawicielem tego gatunku w telewizji, jest „Laboratorium” Wiktora Niedzickiego. Program ten niestety nie dociera do wielu zainteresowanych ze względu na porę jego nadawania. Jeśli chodzi o prasę popularnonaukową, to wydaje się, iż sytuacja wygląda znacznie lepiej. Na rynku dostępnych jest kilka ciekawych tytułów, jak choćby: „Młody Technik”, „Świat Nauki”, a także „Wiedza i Życie”. Czy zechciałby się Pan podzielić refleksjami na temat jakości mediów w Polsce popularyzujących naukę, a w szczególności Pana dziedzinę?

- Zagadnienia popularyzacji są mi bardzo bliskie. Przez 15 lat pracowałem w redakcji „Postępów Fizyki” i napisałem kilkanaście artykułów popularnonaukowych. Z przyjemnością czytam wymienione przez Pana czasopisma i rzeczywiście wspaniale by było, gdyby powstała nowa Sonda. Rozpoczęty niedawno program Stymulator faktu ma taką szansę. Nie mam wątpliwości, że poza podnoszeniem ogólnej wiedzy i przełamywaniem wspomnianych wyżej barier międzydziedzinowych, ważną rolą czasopism i programów popularnonaukowych jest wskazywanie zdolnej młodzieży kierunków, które zadecydują o poziomie cywilizacyjnym i gospodarczym Polski. Uważam, że obok zawodowych popularyzatorów nauki - których kilku Pan wymienił, ale lista jest znacznie dłuższa - istotną rolę mogą odegrać sami naukowcy. Sądzę, że przy awansach - poza dorobkiem naukowym, dydaktycznym i organizacyjnym - należałoby doceniać osiągnięcia w dziedzinie popularyzacji nauki. Równocześnie warto zauważyć, że pojawiają się nowe kanały przepływu informacji naukowej, przede wszystkim internet, ale także wyspecjalizowane programy telewizyjne typu Discovery. Jedną z metod popularyzacji nauki jest więc dzisiaj umieszczanie informacji o osiągnięciach w swojej dziedzinie badań na domowych stronach internetowych instytucji naukowej czy laboratorium.

S.S.: Nawiązując do Światowego Roku Fizyki: które z osiągnięć w dziedzinie fizyki uznałby Pan za najważniejsze w jej całej historii?

- Trwa pasjonujący spór intelektualny, w jakiej mierze o rozwoju ludzkości decydowały nowe koncepcje filozoficzne, światopoglądowe i artystyczne, w jakim nowe metody organizacji pracy, a w jakim nowe odkrycia nauk przyrodniczych. Jeśli ograniczyć się do historii fizyki, to sądzę, że z dzisiejszej perspektywy należy wymienić ciąg pięciu odkryć związanych z nazwiskami: Kopernik-Galileusz-Newton, Faraday-Maxwell-Einstein, Boltzmann-Smoluchowski-Kamer lingh-Onnes-Landau-Anderson, Balmer-Curie-Rutherford-Bohr oraz Schroedinger-Heisenberg-Pauli-Dirac-Feynman. Chodzi tu oczywiście o prawo powszechnego ciążenia i jego implikacje, teorię pola elektromagnetycznego i teorie względności, fizykę układu wielu ciał, poznanie budowy atomów i jąder atomowych oraz o mechanikę i elektrodynamikę kwantową.

Rafał Michalski: Powróćmy do dziedziny Pana zainteresowań naukowych. Fizyka ciała stałego charakteryzuje się stosunkowo krótkimi, ale intensywnymi okresami fascynacji pewnymi grupami materiałów. Jak Pan sądzi, czy pogoń za modą uznać należy za zjawisko pozytywne w kontekście poszerzania wiedzy o przyrodzie czy przeciwnie?

- Nie razi mnie fakt, że badania w pewnych dziedzinach mają swoje okresy wzlotów i upadków. Jeśli są przesłanki sugerujące, że istnieje pewna nowa, obiecująca tematyka badawcza, to jedynie poprzez jej podjęcie można stwierdzić, czy spełnia pokładane w niej nadzieje. Jednak rozpoczęcie badań w nowej dziedzinie ma jedynie wtedy sens, jeśli widać wyraźnie, co nowego możemy do niej wnieść. Pogoń za modą tylko w celu pokazania innym, że „ja też” zajmuję się dziedziną, o której piszą gazety, jest daleko niewystarczającą motywacją.

R.M.: Po okresie nadziei i fascynacji tlenkowymi materiałami nadprzewodzącymi, jakie współcześnie odkrywane i badane materiały mają według Pana szanse doprowadzić do rewolucji technologicznej?

- Co roku na zjazd amerykańskiego Towarzystwa Badań Materiałowych przyjeżdża ponad 5 tys. naukowców i obradują oni w 50. sesjach, każda poświęcona jest innym materiałom. Szczególnie dużo uwagi przyciągają tzw. materiały wielofunkcyjne. Należą do nich odkryte i badane przez nas rozcieńczone półprzewodniki ferromagnetyczne, w których współistnienie zjawisk charakterystycznych dla półprzewodników i ferromagnetyków prowadzi do nowych własności. Wykazaliśmy np., że w materiałach tych można sterować namagnesowaniem przy pomocy pola i prądu elektrycznego, a także światła, co - jak sądzimy - pozwoli wyeliminować części mechaniczne, tj. przesuw taśmy czy obrót dysku w pamięciach magnetycznych. Obok poszukiwania nowych materiałów, prowadzi się intensywne prace, które mają na celu rozszerzenie zastosowań podstawowego materiału elektroniki, tj. krzemu, tak, aby mógł np. służyć nie tylko jako wzmacniacz, ale także jako źródło światła zasilającego sieci światłowodowe.

R.M.: W ostatniej dekadzie zwykło się przyjmować, że najważniejsze znaczenie poznawcze dla zrozumienia właściwości materii mają wyniki tzw. obliczeń ab initio (łac. od początku; z pierwszych zasad). Określenie to definiuje grupę programów komputerowych, w których jedynymi parametrami wejściowymi są znane stałe fizyczne. Na ile jest obecnie realne komputerowe projektowanie materiałów o zadanych własnościach?

- Nie ma wątpliwości, że dzięki coraz lepszym komputerom i algorytmom potrafimy coraz skuteczniej opisywać i przewidywać wybrane własności materiałów. Należy jednak zdać sobie sprawę, że mimo ogromnego postępu jesteśmy w stanie „z pierwszych zasad” symulować zachowanie się układów zawierających jedynie kilkaset atomów w czasie poniżej 100 ps (10-10 s). Równocześnie warto pamiętać, że metody ab initio zawierają wiele przybliżeń, których dokładność nie jest z reguły dobrze znana i zależy od typu materiału oraz badanej własności. W przypadku interesujących nas półprzewodników ferromagnetycznych metody ab initio błędnie opisywały podstawowe własności tych materiałów. Wyniki doświadczalne i teoretyczne służyły tu jako drogowskaz, w jaki sposób ulepszyć przybliżenia, aby odtworzyć symulacjami komputerowymi znane z doświadczenia i teorii własności tych materiałów. Właśnie potrzeby obliczeniowe, mające na celu lepsze przewidywanie własności nowych materiałów i leków, a także pogody i trzęsień ziemi stanowią - obok przemysłu rozrywkowego - siłę napędową dalszego rozwoju technologii informacyjnych i telekomunikacyjnych.

S.S.: Dziękujemy Panu za rozmowę.

Rozmawiali: Rafał Michalski i Stanisław Skórka