Ostrov supravodivosti

Elektrické dráty jsou jako „skluzavky“, po kterých jezdí elektronové kuličky. Za běžných podmínek povrch skluzavky není hladký, proto se kuličky někde zaseknou, jinde zpomalí. Supravodivost ale povrch skluzavky vybaví dokonale hladkou vrstvou, díky které elektronové kuličky neztrácejí energii a bez zastavení obíhají dokola. Materiály, které touto vlastností disponují, jsou podle fyzika Michala Vališky velmi důležité pro budoucnost lidstva, v níž dopomůžou k dosažitelnosti technologií, schopných zvládat dramaticky více výpočtů než dnešní počítače.

Materiál, se kterým pracujete nejvíce, je sloučenina teluru a uranu – telurid uraničitý (UTe₂). Čím je zajímavý? — Za běžných fyzikálních podmínek prakticky ničím. Jakmile jej ale silně ochladíme, stává se mimořádně nekonvenčním supravodičem. Pro technologie kvantových počítačů velmi slibná vlastnost, kterou zatím nikdo tak důkladně jako my neprozkoumal.

Supravodiče ale zatím potřebují teploty hluboko pod bodem mrazu. Při jaké teplotě vám telurid uraničitý dělá největší radost? — Jde o úzký pás teplot mezi 1,6 až dvěma stupni nad absolutní nulou, tedy v rozmezí –271,55 až –271,15 °C. Právě v tomto rozmezí teplot se fádní materiál mění v technologického supermana.

V jakém slova smyslu? — Jeho supravodivost je pro materiály na bázi uranu poměrně vzácná; alespoň kam v tuto chvíli sahají naše znalosti. Přitom byste řekl, že materiál, který známe už od sedmdesátých let 20. století, musí být prozkoumaný do nejmenších detailů. Tak nikoliv. Objevitelé jeho supravodivé vlastnosti přehlédli.

Nebyli pozorní? — Spíše jim nepomohlo, že teplota supravodivého přechodu leží pod teplotou, v níž tenkrát vlastnosti materiálu testovali. Přitom byli schopni dosáhnout ještě nižších teplot, ale nečekali, že by dalším ochlazením mohli vyvolat zajímavou odezvu. Svým způsobem je chápu. Jde o materiál, jehož magnetické vlastnosti svádějí považovat jej za vyloženě nudný i jako paramagnet, tedy látku neschopnou udržet si magnetické vlastnosti po odstranění vnějšího magnetického pole. A když se po dvaceti letech k jeho zkoumání vrátili Japonci, jeho výjimečnost přehlédli podruhé.

RNDr. Michal Vališka, Ph.D., (*1989)

se jako kluk vypravil na den otevřených dveří Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy. Přišel ale pozdě. Oficiální program už skončil a na zemi po něm v celé budově zůstala spousta šipek. Vydal se po nich až téměř přesně na místo, kde má dnes kancelář, v níž se věnuje výzkumu nekonvenční supravodivosti a kvantových materiálů.

Doktorské studium absolvoval ve spolupráci Univerzity Karlovy a Institutu Laue-Langevin v Grenoblu, následně působil jako postdoktorand v CEA Grenoble a v LNCMI Toulouse. Ve své práci se zaměřuje především na mimořádně čisté supravodivé materiály, jejich symetrii, topologické vlastnosti a chování v extrémních podmínkách vysokých magnetických polí, nízkých teplot a vysokých tlaků. Je laureátem Ceny Neuron pro nadějné vědce v oboru fyzika a hlavním řešitelem pětiletého projektu GA ČR Junior Star STiUS: Symmetry and Topology in Ultraclean Superconductors, v němž zkoumá vztah mezi symetrií, topologií a supravodivostí v ultračistých supravodivých materiálech.

Snímek Vladimír Šigut, Univerzita Karlova

Kdo byl ten smolař? — Japonský fyzik Dai Aoki, specialista na hledání nekonvenčních supravodičů. Dnes víme, že měl data plná šumu a nesprávně zvolil nejnižší teplotu. Když se v roce 2018 dozvěděl, že fyzik Sheng Ran nalezl unikátní supravodivé vlastnosti teluridu uraničitého, byl zoufalý. O pětadvacet let dříve si nechal proklouznout mezi prsty osudovou šanci. A mrzí ho to dodnes.

Pro to mám pochopení. Kde jste se s tímto materiálem potkal vy? — Právě onoho roku 2018, na postdoktorské stáži ve francouzském Grenoblu. Telurid uraničitý v té době zažíval slavné období a já měřil jeho vlastnosti ve vysokých tlacích či magnetických polích. Po návratu na pražskou Matematicko-fyzikální fakultu Univerzity Karlovy, proslulou celosvětově vzácnou schopností zdejších vědců a techniků „pěstovat“ krystaly, zejména uranové, jsem se pokusil vytvořit vlastní krystal teluridu uraničitého. Podařilo se, sloučeninu intenzivně zkoumáme a mám dojem, že jsme v tom docela úspěšní.

Co vás na krystalech především zajímá? — Působíme na ně pomocí velmi vysokých magnetických polí a zkoumáme, jak se tím mění vlastnosti materiálu, zejména pokud jde o schopnost supravodivosti, jejíž podstata nás zajímá především. Řekněme, že běžná supravodivost se dobře nesnese s magnetickým polem, protože základem pro vytvoření supravodivého stavu je, „přemluvit“ dva elektrony, které se principiálně odpuzují a nechtějí být spolu, aby vytvořily tzv. Cooperův pár. Ten je však v „normální“ supravodivosti velmi citlivý na magnetické pole. Jakmile na něj magnetické pole zapůsobí, Cooperův pár se rozpojí a supravodivost zmizí. Námi zkoumaný telurid uraničitý se ale chová v oblasti supravodivosti jinak, což naznačuje, že jeho Cooperův pár musí být něčím odlišný.

Telurid uraničitý (UTe₂) je jedním z mála supravodičů na bázi uranu. V extrémně nízkých teplotách v rozmezí 1,6–2,0 Kelvinů a za působení vysokých magnetických polí (nad 40 tesla) se stává nekonvenčním supravodičem. Český tým ve spolupráci se zahraničními kolegy u něj totiž objevil oblast supravodivosti za podmínek u jiných materiálů zatím nepopsaných (kapsa v pravé části diagramu, v oblastech magnetického pole o síle až 100 tesla, jaké v přírodě najdeme až u nejkompaktnějších hvězdných objektů). Objev naznačuje, že unikátní vlastnosti mohou za určitých okolností získat i látky, které jsme v oblasti supravodivosti až dosud považovali za „nudné“.

Schéma Michal Vališka

Co je na jeho chování v teluridu uraničitém tak podivné? — Když na něj působíme velmi silným magnetickým polem, nejenže supravodivost hned nezmizí, ale při dalším postupném růstu až na hodnoty vyšších desítek tesla supravodivost nejprve zaniká, ale později – po dosažení hodnot blížících se až stovce tesla, což je obrovské magnetické pole, které se v pozemské přírodě nevyskytuje – se znovu objeví (obr. 1). Takové chování je podle našich dosavadních znalostí neslučitelné se základním principem supravodivosti. Proto mluvíme o nekonvenční supravodivosti.

Máte nějaké teoretické vysvětlení pro to, co Cooperův pár při vyšších hodnotách magnetického pole znovu spojí dohromady? — Vůbec. A troufám si odhadnout, že bude trvat ještě spoustu let, než někdo přijde s jakýmkoliv vysvětlením. S tím dozajista nebudou souhlasit všichni, protože teorie těchto jevů jsou poměrně složité a vždy je provázejí určitá zjednodušení, což je živná půda pro bouřlivou odbornou diskusi.

V zásadě jde o to, že každý elektron má spin, který lze ve zjednodušeném příměru přirovnat k šipce na kuličce elektronu. Ve standardní teorii BCS (základní kvantově-mechanické teorie vysvětlující jev supravodivosti u klasických materiálů, pozn. red.) míří spiny obou elektronů Cooperova páru opačným směrem – první nahoru, druhý dolů. Když v jejich blízkosti vytvoříme silné magnetické pole, jedna ze šipek se po chvíli překlopí a obě míří stejným směrem. Jde však o stav, který běžný supravodivý materiál nechce, proto se Cooperův pár okamžitě rozpadá.

Náš telurid uraničitý se ale chová jinak. Už od počátku je v něm pár elektronů se stejně orientovanými spiny. Magnetické pole jim už nemůže tolik uškodit. Proces překlopení spinu, který by Cooperův pár zničil, nenastane. Víme tedy, proč se jev mizejícího a znovu se objevujícího Cooperova páru může dít, ještě ale neznáme detaily jeho zániku a vzniku v silném magnetickém poli.

Mám to tedy chápat tak, že telurid uraničitý využívá nějaký jiný princip supravodivosti? — Ano, jde o supravodivost založenou na souhlasném spinu dvou spárovaných elektronů (tripletní stav). To lze tvrdit takřka s jistotou. Chybějící detaily jsou zásadní pro konečné pochopení toho, co se nám zatím jeví složité a nejasné.

Současné supravodiče jsou, jak jste už naznačil, velmi citlivé na jemné změny magnetického pole. Fakt, že telurid uraničitý je schopen udržet supravodivost i v obrovském magnetickém poli mu tedy propůjčuje nějaké potenciálně využitelné vlastnosti? — Čeká nás sice ještě dlouhá cesta, ale dá se říci, že míří k použití v budoucích kvantových počítačích. Nebo opatrněji řečeno k delikátním kvantovým jevům.

To znamená, že tam, kde v dnešních prototypech kvantových počítačů musí být dobré stínění, aby magnetické pole nevypínalo supravodivost, by u teluridu uraničitého takové potíže odpadaly a kvantové stavy by nic nerušilo ani při zapnutí obřího magnetického pole. — Ano, tudy vede možná aplikační linka. Zkoumaný typ supravodivosti přežívá magnetické pole tak dobře, že pravděpodobně ani nebudeme schopni tuto vlastnost naplno využít, protože vyšší desítky tesla násobně překračují nejvyšší hodnoty magnetického pole, s nimiž se člověk může v běžném životě potkat třeba při magnetické rezonanci.

Popsané jevy zkoumáte na krystalech, tedy struktuře, v níž vlastnosti materiálu ovlivňuje prostorové uspořádání atomů. Jak se projevuje ve vlastnostech teluridu uraničitého? — Ukazuje se, že není tak docela jedno, jakým směrem magnetické pole namíříme na atomy uspořádané v krystalu do jednotlivých směrů, os a rovin. Z našich výzkumů vyplývá, že magnetický fázový diagram této sloučeniny je velmi bohatý. Při otáčení magnetickým polem vůči krystalu a působení z různých směrů se magnetické vlastnosti krystalu mění. Navíc magnetické pole není jediným kontrolním parametrem, měnícím vlastnosti krystalu. Důležitý je i tlak. Proto už jen samotné prozkoumání celého fázového diagramu je velmi náročná práce, jejíž poznatky budou mít zásadní vliv na hledání aplikovatelnosti.

V podstatě bych tedy vaše mapování takto komplexní soustavy vlivů přirovnal k průchodu bludištěm. — To je docela trefné. Občas se na této cestě dá setkat s jevy, jejichž existence jinde nemá obdoby. Telurid uraničitý patří mezi sloučeniny krystalující v kosočtverečném (ortorombickém) systému. Jeho tři základní symetrické směry popisujeme pomocí písmen a, b, c. V drtivé většině případů se na takové typy krystalů aplikuje magnetické pole podle některého z těchto základních směrů. Díky tomu pak snadno víme, jak se v něm chová supravodivost, magnetismus nebo jakýkoliv jiný jev. Telurid uraničitý nás však překvapil. Při naklonění magnetického pole o 23 stupňů mezi osou b a c vzniká ve fázovém diagramu jakási kapsa, zodpovědná za supravodivost materiálu v silných magnetických polích.

Jak vás napadlo naklonit magnetické pole právě o 23 stupňů? — Někdy se stane, že se rozhodnete intuitivně udělat něco, co v dané chvíli vypadá nelogicky. V našem případě nás natočení osy mimo tři základní směry přivedlo k objevu zmíněné anomální kapsy. Přirovnal bych to k plavbě oceánem, v němž se rozhodnete otočit kormidlem a nasměrovat loď jiným směrem a objevíte díky tomu nový kontinent. Zmíněná kapsa je takovým dosud neznámým ostrovem supravodivosti. Leží uprostřed oceánu silných magnetických polí, kde jeho existenci nikdo nečekal.

Jako mořeplavce vás teď čekají možná roky detailního mapování vnitrozemí. Je materiálová čistota a preciznost přípravy krystalů teluridu uraničitého, ve které patříte k světové špičce, základem úspěchu při zkoumání této sloučeniny? — Dnes víme, že jsou to předpoklady, ale pro tento konkrétní materiál kupodivu nehrají tak zásadní roli. Paradoxně totiž tento náhodně objevený ostrov vysokopolní supravodivosti existuje i v těch nejhorších krystalech, které jinak supravodivé nejsou. Tím je možná zmíněný objev ještě mysterióznější a záhadnější. Čekal bych, že pozorovanou sadu vlastností budou mít jen nejlepší krystaly. To, že stačí pouhým pootočením o 23 stupňů vyvolat supravodivost u materiálu, který je za normálních okolností nesupravodivý a pro naše účely vyloženě mizerný, mi připadá mimořádně unikátní.

Čas od času světem prolétne zpráva, že někdo někde objevil supravodivý materiál schopný změnit budoucnost. Od roku 1911, kdy nizozemský fyzik H. Kamerlingh Onnes (na snímku) objevil první supravodiče, takových oznámení počítáme na tisíce. Zásadní revoluce je však prozatím v nedohlednu. Materiály, jež zkoumá tým fyzika Michala Vališky, by mohly přinést dosud nepoznané vlastnosti. Dokonce v případech, kdy už materiál předchozí badatelé označili za „nudný“ a pro praktické využití v oblasti supravodičů nepoužitelný.

Snímek Nobelova cena 1913, Fotobanka Mary Evansové, Profimedia

Možná jste našli cestu, jak takovýto typ supravodivosti najít i u materiálů, které jsme zatím opomíjeli. — To uvažujete velmi dobře. Je ale třeba zmínit, že v trojrozměrném fázovém diagramu je spousta neznámých oblastí, které ještě nikoho nenapadlo zkoumat. U jednoho materiálu můžete strávit roky a hledat něco, co tam dost možná ani není. Můžete zkoumat úhly natočení magnetického pole, jeho potřebnou intenzitu, různě vysoký tlak – protože i ten může supravodivosti pomoci, jak už víme z jiných experimentů. V zásadě, ať si vyberete jakýkoliv přístup a metodu z fyziky kondenzovaných látek, je jisté, že už byly vyzkoušené, jen ne ve všech možných kombinacích parametrů. Kdo vám něco takového zaplatí, když pak léta poplujete oceánem fyzikálních možností nazdařbůh? Vždyť i sázka na slibný materiál, jakým je telurid uraničitý, nemusí vyjít. To vše dělá z vědy vzrušující honbu za poznáním. Skutečná krása spočívá v tom, že nikdy předem nevíte, jak experiment skončí a co při něm objevíte. Jinak by po zmíněném způsobu života nikdo nebažil a nezkoušel ho.

Ono to ale také ve spoustě případů vůbec dobře nedopadne a žádný pozitivní výsledek nepřinese. — Když se s kolegy dostaneme do bodu, kdy stojíme na rozcestí a nevíme, která z pokračujících cest je správná, diskuse ničím nepomáhají. Zatím jsme vždy dospěli k rozhodnutí, že to prostě zkusíme. Narozdíl od dávných objevitelů, v jejichž době mohlo být hazardem vydat se na lodi s reálnými lidmi kamsi do neznáma, my – kromě zdrojů – neriskujeme nic. Prozatím se nám nestalo, že by zvolený přístup něco zajímavého nepřinesl.

Jak takové rozcestí vypadá prakticky? — Vrátím se ke zmíněnému Cooperovu páru. U klasických materiálů si jeho vznik v souladu s kvantově-mechanickou teorií BCS zjednodušeně představujeme tak, že oba elektrony, které jej tvoří, jsou „přemluveny“, aby spolu vytvořily pár.

Kdo je přemluví? — Krystalová mřížka, rozkmitaná nereálnou kvazičásticí – fononem (viz Vesmír 103, 180, 2024/3). Kmit mřížky je důležitým prvkem, který svým vlivem překoná přirozeně odpudivou interakci mezi oběma elektrony Cooperova páru, a ty pak společně prolétají mřížkou. Krystalová mřížka pokračuje v kmitání, střídavě se roztahuje a smršťuje, čímž elektronům pomáhá letět v páru společně, aniž by samy „chtěly“.

Jenomže vy jste naznačoval, že telurid uraničitý vytváří Cooperovy páry, které fungují jinak. — Máme dojem, že jeho „lepidlem“ bývají jiné typy kmitů, říkejme jim fluktuace. Zpravidla jde o magnetické fluktuace, při nichž se magnetické momenty materiálu v přítomnosti elektronů chvějí, ale existuje mnoho dalších druhů fluktuací. My pak v oblasti fázových diagramů materiálů hledáme, kde jsou fluktuace oproti běžnému stavu zvýšené. V takových místech existuje jistá šance supravodivost najít.

Tedy, jestli to chápu, hledáte jakési nepřímé důkazy na mapě fázového diagramu. — V zásadě ano. Přirovnal bych to k hledání pramene řeky s pomocí vědomosti, že voda teče vždy z kopce dolů. Proto když najdete vodní tok, víte, že máte jít proti proudu, což vám pomůže se základním způsobem orientovat.

Může se stát, že po takových stopách jdete a na jejich konci nic není? — Jistě. Fluktuace může být tak slabá, že k sobě elektrony nespojí a supravodivost nenastane. Je to ostatně dobrý příklad, jak si přiblížit možnost hledání nových vlastností u sloučenin, které z předchozího hledání supravodivosti vyšly jako negativní nebo neperspektivní. Díky poznání souvislosti supravodivosti s dalšími fyzikálními veličinami se můžeme zaměřit na hodnoty elektrického odporu, naměřené při teplotách do čtyř Kelvinů. Této teploty předchozí badatelé dosahovali relativně snadno s pomocí kapalného helia. Supravodivosti nedosáhli, materiál opustili, netušili však, že známky zvýšených fluktuací v této teplotě dělají z materiálu kandidáta na další zkoumání při nižších teplotách od 2 do 0,3 Kelvinu. V nich mohou fluktuace narůst za nastartování supravodivosti.

Stane se to vždy? — Zdaleka ne, někdy však ano. Vodítek, napomáhajících hledat, co předchozí badatelé v oblasti supravodivosti opustili, existuje více, tato jsou však typická. Vedou nás k tomu, co zkusit a čemu se radši vyhnout. Náhodu se snažíme vyloučit.

Už jste na takový materiál narazili? — Optikou našich nových poznatků jsme se podívali na stará data. Nadějná se nám jevila jedna binární sloučenina uranu s něčím, co bych teď nerad přibližoval, známá už z šedesátých let 20. století. Ve spolupráci s polskými kolegy jsme proto připravili poměrně náročný experiment, abychom si předpoklad ověřili.

Co jste udělali? — Díky použití dvou diamantů, které materiál stlačují, čímž zvyšují tlak, se nám podařilo významně zvýšit fluktuace. Samotný experiment byl časově velmi náročný. Vše se montovalo v mikrometrových rozměrech pod mikroskopem, tedy v zásadě detailní hodinářská práce, u níž není rozumné investovat ji naslepo do všeho, co nás napadne. Proto jsme zvolili opravdu slibného kandidáta. Kolega z Akademie věd se teď chystá vzorky přeměřit. Když budete sledovat téma fyziky kondenzovaných látek, mám dojem, že v blízké době jeden další supravodič přidáme.

Říkáte to velmi tajemně. Bojíte se někdy zcizení toho, čím se zabýváte? — Jsem zastáncem co nejširšího sdílení poznatků, což je přístup, který ve vědě není obecný. Kupříkladu recepty na přípravu materiálů někteří zahraniční kolegové sdílejí jen velmi neochotně. Při četbě vědeckých článků tak někdy nabývám dojmu, že autoři nejzásadnější věc opomenou komentovat nebo formulaci napíšou tak, aby z ní nešlo poznat něco podstatného.

Trochu mi to připomíná alchymistické traktáty, psané tajným jazykem zasvěcenců. — Těžko se určuje, jde-li jen o zjednodušení. Vědecké publikace většinou popisují vlastnosti zkoumaného materiálu a část o přípravě často bývá proporčně skromná. Roli mohou hrát i zvyklosti časopisu nebo instrukce editorů.

Spíše mi přijde, že autoři často něco vynechají, aby si udrželi jedinečnost svého přístupu. Kdybych to přirovnal k receptu na svíčkovou, lze jej napsat na čtyři řádky, ale když podle něj uvaříte, nemusí být výsledek odpovídající vaší zkušenosti z děl špičkových kuchařů. Navíc fungují meziskupinové vztahy, vznikající na konferencích a stážích. Lidé z ostatních vědeckých skupin jsou často ochotni svá tajemství sdílet právě na takových neformálních platformách.

Nakolik je to, co popisujete, vázáno na současné dění ve světě? Mám na mysli soupeření mocností, snahu ponechat si strategickou výhodu pro sebe, projevující se třeba ve zkoumání umělé inteligence. Pozorujete v tomto smyslu nějaký vliv geopolitiky na fyziku? — Nedávno jsem se ptal kolegy ze Spojených států, jestli mají problémy s financováním. Tvrdil, že to není tak dramatické, jak očekávali. Pokles financí postihuje spíše jiné vědecké okruhy, jako humanitní vědy, kde je situace daleko složitější. Vím kupříkladu, že kolega z univerzity v Cambridge, původem Číňan, nikdy nemohl jet experimentálně měřit na Floridu, kde je špičková laboratoř velmi silných magnetických polí. Ví, že je zbytečné si o takovou cestu žádat, protože nedostane vízum či povolení ke vstupu. Jemu, ale i jeho týmu, to komplikuje práci.

Ačkoliv konflikt na Blízkém východě pro vědce mé specializace nepředstavuje překážku, pro kolegy v Izraeli značnou. Při nedávné konferenci některým tamním kolegům hrozilo, že ani nepřiletí.

Nemusíme ani tak daleko. Odchod Británie z Evropské unie řadu dosavadních spoluprací také značně zkomplikoval. — Jistě. Například je těžší převážet některé vzorky. Svět vědecké výměny se, mám dojem, mírně přivřel. Uvidíme, jak se to vyvine.