Fyzik Herman: Dúfam v svet, v ktorom nebude treba neustále pripomínať význam vedy

Množstvo informácií, ktoré doniesol internet do našich životov, je nový les a my sa musíme naučiť rozoznávať dobré informácie od zlých, hovorí fyzik František Herman, laureát ESET Science Award v kategórii Výnimočná osobnosť vedy do 35 rokov.

Herman pôsobí na Katedre experimentálnej fyziky Fakulty matematiky, fyziky a informatiky UK v Bratislave a skúma supravodivosť.

Súvisiaci článok Súvisiaci článok Vedec Farkaš: Roboty by mali zapadnúť do nášho sveta, nie my do ich Čítajte 

Svoje predstavenie pre ESET Science Award ste zakončili vetou, že chcete veriť v svet, v ktorom netreba význam vedy donekonečna vysvetľovať. Prečo ste povedali donekonečna?

Sú za tým dve veci. Prvá je, že sa zdá, že globálna populácia, ktorá vedu vníma cez jej výsledky, ako keby si budovala akýsi odpor. Počas pandémie to nadobudlo rozmer, že je už in popierať niektoré vedecké fakty. Som unavený z vysvetľovania niekomu, aby sa dal zaočkovať, lebo mu to možno zachráni život. Možno je to až cynické, ale po niekoľkých debatách som zistil, že ma to unavuje, nepomáha mi to a nikam ma to neposúva. Ako keby som sa ponáral do nejakého zvláštneho blata. Druhá vec je, že si myslím, že už treba povedať, že dosť s tými kravinami.

Čo s tým teda robiť?

Mám nádej, že s informáciami je to tak trošku ako s hubami lese. Jedny nás môžu zabiť, druhé nám chutia a sú prospešné. Sme tu s nimi tak dlho, že sme sa ich naučili rozoznať. Pochopili sme, že je dobré odovzdať informáciu, že túto jednu si radšej nedávaj do praženice, lebo to nedopadne dobre. Isto, štatisticky sú prípady otráv, ale nedebatujeme o tom, že si dám pár kvapiek muchotrávky zelenej. No množstvo informácií, ktoré doniesol internet do našich životov, spolu s rýchlosťou ich šírenia je nový les a my sa musíme evolučne naučiť rozoznávať dobré informácie od zlých.

V skutočnom svete sa zdá, že tu nie sú ľudia, ktorí by navrhovali jesť jedovaté huby. Ak však pokračujem v analógii, na internete je to opak a sú tu ľudia, ktorí zlé huby podsúvajú ako jedlé.

Presne. Týchto ľudí nie je, žiaľ, málo. Niekedy je navyše veľmi ťažké odlíšiť ich od ľudí, ktorí niečo nemyslia zle, ale sa pomýlia.

Súvisiaci článok Súvisiaci článok Supravodič pri izbovej teplote? Materiál kórejských vedcov je zrejme iba magnet Čítajte 

Čo robiť medzičasom?

Zdá sa mi rozumné, že keď vidíme logické chyby v argumentácii človeka, tak na ne poukážeme. Podľa mňa nie je dobré toho človeka zosmiešňovať, ale držať to vo faktickej rovine a nejsť do pocitov.

Aj vo vedeckých článkoch sa pocitom snažíme vyhýbať. Človek je prirodzene emotívny tvor a pocity sú subjektívna vec. Čo sa jednému páči, iného odrádza. Veľmi to prispieva k polarizácii, či dokonca rozdrobeniu vo všetkých smeroch. Ak sa vrátim k prvej otázke, dovolím si tvrdiť, že by bolo lepšie, keby nebolo treba donekonečna pripomínať dôležitosť vedy. Myslím si, že by sa nám žilo jednoduchšie. Súčasťou vedy je veľakrát si priznať, že niečo vám nesedí. Drvivá väčšina vedcov si to minimálne prizná sama pred sebou. Dokonca aj v oblasti, v ktorej robím výskum, sa mýlim. Ak ste presvedčení o tom, že vy viete, ako veci sú, tak vám to bráni prísť na niečo nové. Motáte sa v tých istých názoroch.

Vo svojej práci sa zaoberáte fyzikou tuhých látok a presnejšie supravodivosťou. O čom je fyzika tuhých látok?

Jeden zo smerov výskumu vo fyzike je ísť k menším a menším časticiam. Je zaujímavé skúmať, čo sa stane, keď je zrazu pohromade povedzme 10 na 23 elektrónov – čiže hovorím o makroskopickej škále – a ako interagujú. To množstvo prináša do hry nové javy a berieme zrazu do úvahy štatistický opis častíc. Tuhé látky ako kov či kryštalický materiál majú periodicky sa opakujúcu mriežku, v ktorej, zjednodušene povedané, atómové jadra v zásade sedia v opakujúcom sa vzore. No keďže stále ide o malé častice, potrebujeme na ich opis kvantovú fyziku.

Tuhé látky sú teda taký pekný guláš štatistickej fyziky a kvantovej mechaniky spolu s Coulombovskými interakciami (dva plusy a dva mínusy sa odpudzujú, ale plus a mínus sa priťahuje - pozn. red.). Fyzika polovodičov, s ktorými sa bežne stretávame, je jeden z výsledkov fyziky tuhých látok. Z teoretického hľadiska tak viem pochopiť, čo sa v tuhých látkach deje, zistiť, akú rolu hrá náboj. Z experimentálneho mi to umožňuje dopovať kremík tak, aby som vedel robiť tranzistory, tie dať na čip a robiť logické procesy.

Znamená to napríklad to, že môžem materiály ešte viac vylepšiť?

Úplne. Dobrý príklad je kremík. Viem, akú má energetickú štruktúru, že je to polokov a polovodič. Podľa jeho polohy v tabuľke periodických prvkov vzhľadom na iné prvky viem, že keď ho budem dopovať fosforom namiesto iných kremíkov, tak dostanem tú istú mriežku, ale s viac elektrónmi – n-dopovaný polovodič - a dostanem náboj, s ktorým viem niečo robiť. Keď zoberiem kremík a budem ho dopovať bórom, tak potom bude mať o jeden protón a elektrón menej. Chýbajúci elektrón z toho spraví p-dopovaný polovodič.

Čo sa s takým kremíkom dá robiť?

Viem ich dať striedavo vedľa seba. Keď pridám batériu, kovové hradlo a pod to vrstvu oxidu, tak takto jednoducho vytvorím takzvaný tranzistor MOSFET. To je základná logická jednotka, ktorou dokážem kódovať informáciu 0 a 1 a ktorá je zásade všade. Keď teda chápem kremík, viem, čo s ním mám robiť v súvislosti s inými prvkami, ako upraviť štruktúru, ako spraviť oba polovodiče atď.

František Herman počas ESET Science Award 2024. (zdroj: TASR)

Supravodivosť je na tom tak trochu ako jadrová fúzia, čakáme na prielom, ktorý by nám ju umožnil používať pri izbovej teplote, aby sme sa nemuseli spoliehať na veľké chladničky. Ako je na tom výskum supravodivosti teraz?

Má viacero rovín. Jedna sa týka izbovej teploty, pričom v tomto smere si musíme nejako dopomôcť. A to robíme tak, že vzorky dávame pod vyšší a vyšší tlak vyvolaný diamantovými hrotmi, ktoré ich stlačia. Pre supravodivé elektróny sú dôležité kmity jadier, ktoré sedia v periodicky sa opakujúcej mriežke. Kmity nesmú byť prebité náhodným pohybom, ktorý spôsobujú vyššie teploty. Aby tie kmity boli, potrebujeme veľký tlak. Toto je cesta, keď chceme ísť čo najbližšie k izbovej teplote.

Výskum sa však zaoberá aj tým, čo robí supravodivý stav s elektromagnetickým poľom. Ukazuje sa, že máme materiály, ktoré majú relatívne rozumnú kritickú teplotu, rádovo desiatky kelvinov, čo nie je až také nákladné dosiahnuť. Tie materiály sú zaujímavé preto, že vedia indukovať veľké magnetické polia. Uplatnenie to má v nemocniciach v MRI, alebo ako magnety urýchľovačov častíc. Potrebujeme silné magnety, aby sme častice sústredili a poslali tam, kde ich chceme mať. Patria medzi ne kupráty. Keďže sú drobivé, dávajú sa na substrát. Potom sa z nich urobí supravodivá páska, ktorá sa navinie na cievky a následne sa indukuje magnetické pole. Teraz sa hľadá, ako kupráty dávať do pások tak, aby drobili čo najmenej. Zároveň však celkom nevieme, ako v nich supravodivosť vzniká.

V supravodivom stave hrá veľkú úlohu spin elektrónov. Nie je dobrá analógia, no predstavte si nabitú guľôčku, ktorá sa točí okolo svojej osi. Berte však na vedomie, že elektrón nemá tvar guľôčky a nevrtí sa. Elektróny v časticiach, ktoré tvoria supravodivý kondenzát, sú spárované. Hoci sa odpudzujú, kmity periodicky usporiadaných jadier v mriežke pri nízkych teplotách ich dokážu viazať tak, že jeden má spin jedným smerom a druhý druhým smerom. Keď takýto pár rozbijem, vezmem elektrón veľmi ďaleko, pozriem sa naň a zistím, že má spin hore, tak okamžite viem, že druhý má spin dolu. Toto viem kombinovať s inými materiálmi, kde hrá úlohu spin. Skúma sa, či takto vieme lepšie uchovávať informácie. Za zmienku stojí aj výskum, či sa dá elektromagnetické pole zavrieť do supravodivej dutiny. To je zaujímavé z hľadiska, či viem okrem urýchlenia aj detekovať častice.

Súvisiaci článok Súvisiaci článok Skúmali materiál s divnými elektrónmi. Na výskume pracoval aj slovenský vedec Čítajte 

V rámci výskumu supravodivosti ste na fakulte v rámci dvojčlenného tímu vyrobili model, ktorý berie do úvahy interakcie elektrónov na vplyv neusporiadanosti, napríklad nečistoty v materiáli.. Čím je tento model významný?

Umožňuje nám veľmi jednoducho opísať supravodivé správanie matematickou formulkou. Odvodili sme ju z jednej mikroskopickej teórie. Keď sa v nej použije a dorátajú sa z nej dôsledky pre experiment, tak je veľakrát až prekvapujúco konzistentná s tým, čo sa meria. Samozrejme, neuzurpujeme si, že sme prví, kto na to prišiel.

V 70. a 80. rokoch vedci zistili veľa a rozvinuli teórie, no ich prístupy mali určité limity, ako napríklad, že vzorky museli byť buď veľmi čisté, alebo veľmi špinavé, alebo táto neusporiadanosť musela veľmi konkrétna, alebo vytvorili formulu na základe experimentu. No bolo ťažké nájsť spôsob, ako to vyplývalo z teórie. A tak tu z toho obdobia boli viaceré otvorené otázky.

My sme dokázali konzistentným spôsobom prísť s formuláciou, ktorá pekne odpovedá na tieto otázky jednu za druhou, plus vieme aj správanie materiálu opísať tak, že je to konzistentné s meraniami. Samozrejme, neprišli sme s odpoveďou na všetko. Aj náš model má limity. Teraz riešime, kam s ním môžeme zájsť. Mať jednoduchý popis na širokom spektre použiteľnosti je podľa mňa veľmi fajn.

Aký bol ohlas na váš model?

Publikovali sme viaceré články. Prvý z roku 2016 má slušný citačný ohlas v rámci našej oblasti, nasledujúce sú na tom podobne. Na modeli som čiastočne pracoval aj po počas môjho pôsobenia vo Švajčiarsku. Keď som sa vrátil, dostal som naň grant SASPRO, čo je fantastická vec na začiatok pre vedcov a vedkyne, ktorí sa chcú vrátiť na Slovensko alebo cestovať. Model stále rozvíjame a pozeráme sa aj na iné smery výskumu.

Snažíme sa udržiavať aj komunikáciu s vonkajším svetom, vo vede sa to inak nedá. Niekedy sa prichytím, že za deň napíšem viac anglických e-mailov ako slovenských. Myslím, že Peter Celec povedal, že nič ako slovenská veda nie je, je veda na Slovensku. Čo potrebujeme urobiť, je vytvoriť podmienky, aby vedci mohli prosperovať a spolupracovať so svetom.

Prečo ste sa vrátili zo Švajčiarska na Slovensko?

Skrátka sa tu cítim doma a teraz neutekám pred potrebnými domácimi úlohami.

Tento článok vznikol s podporou ESET Foundation, ktorá každý rok udeľuje ocenenie ESET Science Award výnimočným vedcom a vedkyniam.