Michal Vališka zkoumá, jak se materiál stane supravodičem

Michal Vališka z MFF UK se se svým týmem věnuje nekonvenčním supravodičům, jež mohou hrát roli v budoucích kvantových technologiích. „Supravodivými se tyto materiály stávají až ve chvíli, kdy jsou skutečně ultračisté,“ říká laureát Ceny Neuron. V rozhovoru mluví o trpělivosti během experimentů, mezinárodní spolupráci i o tom, proč je schopnost vysvětlit složité věci jednoduše zároveň testem vlastního porozumění.

Když si vezmu k srdci vaši snahu mluvit o vědě stručně – dal by se váš výzkum popsat tak, že vytváříte ultračisté supravodivé materiály, na nichž lze sledovat fyziku bez rušivých vlivů?

Ano, ta ultračistota je pro tento typ supravodičů naprosto zásadní. Nečistoty způsobí totiž mimo jiné to, že se v materiálech objeví elektrický odpor, a přestanou se chovat jako supravodiče. Existují sice i jiné typy supravodičů, kterým různé příměsi nebo nečistoty tolik nevadí, ale u těch našich je situace jiná. Vynikají řadou mimořádně zajímavých vlastností, zároveň jsou ale extrémně citlivé a náchylné právě na čistotu. Například u materiálu UTe₂, tedy telluridu uraničitého, kterým se v současnosti hlavně zabýváme, opravdu musí být přítomen jen uran a tellur, a to ve zcela přesném poměru. Jakmile se při přípravě do krystalu dostanou, byť jen zlomky procent jiných prvků, supravodivost se tím naruší.

Proč vás tyto materiály vlastně zajímají?

Věnujeme se především základnímu výzkumu, takže naším cílem nejsou okamžité aplikace. V první řadě chceme vědět, jak už jste sama zmínila v první otázce, jak tyto materiály fungují – jaké fyzikální mechanismy stojí za jejich chováním. Zároveň ale samozřejmě sledujeme i možné náznaky jejich budoucího využití.

Jedna z klíčových vlastností nekonvenčních supravodičů je jejich schopnost odolávat velmi silným magnetickým polím. Právě to je činí zajímavými i z hlediska kvantových technologií. Současné kvantové počítače sice existují, ale jsou extrémně citlivé na vnější rušení – magnetická pole, teplotní výkyvy i další vlivy. Fungují proto jen v přísně kontrolovaných, téměř sterilních laboratorních podmínkách.

Standardní supravodiče navíc silná magnetická pole většinou vůbec nesnesou – často selhávají už při jednotkách tesla. Materiál, který studujeme my, konkrétně UTe₂, se ale chová zásadně jinak: zůstává supravodivý až do magnetických polí kolem 35 tesla, a při ještě vyšších polích se dokonce objevuje nová supravodivá fáze. Zdá se, že silná magnetická pole mu nevadí, ale naopak hrají důležitou roli v jeho chování.

Dalším zásadním aspektem jsou možné topologické vlastnosti těchto materiálů. Zjednodušeně řečeno by qubity (qubit je základní jednotka informace v kvantovém počítači – pozn. red.) založené na takových supravodičích mohly být výrazně robustnější a stabilnější než ty současné. Dnes se topologické supravodiče většinou vytvářejí uměle vrstvením různých materiálů, což sebou nese řadu technických komplikací. Nekonvenční supravodiče, jako je UTe₂, by naproti tomu mohly tyto vlastnosti vykazovat samy o sobě – bez nutnosti složitých heterostruktur.

Dalo by se tedy říct, že by tohle bylo elegantnější a jednodušší řešení – i z hlediska výroby?

Ano, přesně tak. Výhoda by spočívala v tom, že by se obě žádoucí vlastnosti – tedy supravodivost a topologie – spojily přímo v jednom materiálu. Nebylo by nutné kombinovat různé látky a složitě je vrstvit. To by celý systém výrazně zjednodušilo a zároveň učinilo robustnějším.

Takže se teď soustředíte především na UTe₂?

Ano, v současnosti se zaměřujeme hlavně na sloučeninu UTe₂, zároveň ale hledáme i další podobné materiály, abychom zjistili, zda lze tyto vlastnosti zobecnit a najít širší třídu látek s podobným chováním.

UTe₂ jsem začal studovat už během postdoktorské stáže v Grenoblu. Tehdy ale kvalita krystalů ještě nebyla dostatečná k pozorování těch nejjemnějších vlastností a přípravu materiálu měl na starosti jiný tým. Když jsem se vrátil do Prahy, rozhodli jsme se využít možnosti, že na Matfyzu je dlouhá tradice přípravy krystalů, zejména u uranových sloučenin, a navázat na ni. Protože ne všude ve světě je možné s takovými materiály pracovat.

Společně s kolegy, včetně týmů z Japonska, jsme proto upravili známý postup růstu krystalů. Používáme jednoduchou a elegantní metodu s roztavenými solemi, která vede k velmi čistým, až ultračistým krystalům – a právě ty jsou pro náš výzkum klíčové.

Je to tedy vaše know-how?

Je to know-how, které sdílíme i s japonskými kolegy. Základní postupy jsou veřejně známé a komunita je v tomto směru velmi otevřená. Rozdíl ale nastává v praxi, protože ne každý dokáže stejný postup skutečně zopakovat se stejným výsledkem. A právě v tom si myslím, že patříme mezi ty úspěšnější. Velký podíl na tom má i můj bakalářský student Andrej Cabala, který je zodpovědný za růst našich krystalů a dělá to výborně.

Je to opravdu trochu jako vaření. Recept zná každý, ale výsledek záleží na provedení. Smíchá se uran a tellur, zasype se to správným poměrem solí, několik dní se to „peče“ v peci a když se to povede, vzniknou krystaly, na nichž pak děláme všechny další experimenty.

Za jakých podmínek supravodivost studujete?

Například studium kvantových oscilačních jevů lze pozorovat jen na velmi kvalitních, extrémně čistých krystalech. Nečistot musí být minimum, aby byla volná dráha elektronů dostatečně dlouhá a jemné fyzikální efekty se vůbec projevily. Právě proto spolupracujeme s dalšími špičkovými pracovišti, například se skupinou Alexe Eatona z Cavendish Laboratory v Cambridge. Nejnáročnější experimenty se odehrávají ve specializovaných vysokopolních laboratořích v zahraničí – třeba v Drážďanech, Nijmegenu nebo Toulouse. My připravíme krystaly a tam se provádějí samotná měření.

U nás dokážeme pracovat se statickými magnetickými poli do zhruba 20 tesla. Pro vyšší hodnoty je nutné používat pulzní magnetická pole, která dosahují až kolem 100 tesla, ale trvají jen několik desítek milisekund. Celé měření se tedy musí odehrát v extrémně krátkém časovém okně. To znamená náročnou logistiku, časté cestování a velmi pečlivou přípravu vzorků. Navíc je třeba počítat s tím, že samotné UTe₂ není zcela stabilní na vzduchu, takže vyžaduje opatrné zacházení i mimo laboratoř.

Jak často při výzkumu narážíte na problémy, které se v danou chvíli zdají neřešitelné?

V experimentální fyzice je to naprosto běžné. Většina pokusů nevyjde a únava i frustrace k tomu patří. Důležité je nezůstat na problém sám, hodně pomáhá sdílení s kolegy, odstup a pohled z jiné perspektivy. Často právě někdo jiný přijde s klíčovým nápadem.

Součástí té práce je i neustálá pochybnost o vlastních datech. I zdánlivě senzační výsledek je potřeba znovu ověřit a reprodukovat, což není vždy jednoduché. Právě tahle kombinace hledání, pochybování a vytrvalosti dělá experimentální fyziku náročnou, ale právě to je na ní také nejzajímavější.

Za svůj výzkum jste obdržel Cenu Neuron pro nadějné vědce. Jak se to odrazí na vaší práci nebo na fungování týmu?

Vnímám to hlavně jako potvrzení, že to, co děláme, má smysl a potenciál. Ne že bychom byli jediní nebo nutně nejlepší, ale je to signál, že naše práce stojí za to a má cenu ji dál rozvíjet.

Ocenění si velmi vážíme – já osobně i celý tým. Byl jsem příjemně překvapený, protože jsem s ním nijak dopředu nepočítal. Zároveň si ale uvědomuji, že hodnocení vědy je vždy do určité míry subjektivní a že existuje mnoho srovnatelně kvalitních týmů, na které se často jednoduše nedostane. Jsme rádi, že to letos vyšlo na nás, ale víme, že kvalitní fyziku dělá řada dalších lidí. Celkově mám pocit, že věda je v dobré kondici, i když se někdy říká opak.

Kdy jste si uvědomil, že nestačí něco objevit, ale že je stejně důležité umět to ostatním srozumitelně vysvětlit? A jak jste se to učil?

Na začátku jsem si vědeckou práci představoval jednoduše: člověk něco zkoumá, něco objeví a tím to končí. Postupně mi ale došlo, že bez schopnosti výsledky srozumitelně sdělit se žádný objev vlastně nestane součástí vědy. Je potřeba umět o něm psát, mluvit a vysvětlit, proč je důležitý. Tenhle komunikační rozměr tvoří podle mě velkou část práce vědce. Zjednodušování je přitom i testem porozumění: pokud něco nedokážu vysvětlit jednoduše, většinou to znamená, že tomu sám ještě úplně nerozumím.