Ján Minár: Nevedeme diskusi, kdo má pravdu. Vypočítáme to a pak ověříme.

Kvantové technologie jsou považovány za technologie budoucnosti. Právě od nich se totiž očekává, že budou určovat další technologický vývoj lidstva. Studovat materiály se specifickými vlastnostmi vysvětlitelnými kvantovou fyzikou, a přispět tak k jejich lepšímu využití v praxi – tak by se dal jednoduše popsat cíl pětiletého projektu Kvantové materiály pro aplikace v udržitelných technologiích, v jehož čele stojí jako hlavní řešitel výzkumný ústav NTC ZČU s Jánem Minárem.

Proč a s jakým cílem vyhlásila OSN rok 2025 rokem kvantových technologií? Co to znamená pro NTC a pana Minára osobně?

Důvodem je historický milník – v roce 2025 to bude sto let od klíčových událostí, které položily základy kvantové mechaniky. Technologie využívající principy kvantové mechaniky, jako jsou kvantové počítače, kvantové senzory a další, mají potenciál revolučního dopadu na různá odvětví. Mohou významně přispět k udržitelnému životu na naší planetě, například zlepšením energetické účinnosti, přesnějšími klimatickými modely a novými biomedicínskými technologiemi. Stejně jako průmyslová revoluce přinesla dramatické změny ve výrobě, dopravě a ekonomice, může kvantová revoluce znamenat přelom v tom, jak rozumíme přírodním zákonům a využíváme je. I když je zde mnoho podmiňovacích výrazů a záleží na tom, zda se nám podaří tento potenciál naplnit, je to nepochybně zásadní téma.

Ředitel našeho výzkumného centra NTC, Petr Kavalíř, zároveň působí jako zmocněnec pro kvantové technologie, takže předpokládám, že naše výzkumné centrum i já se zapojíme do aktivit, které budou propojovat výzkumné organizace pracující v této oblasti. Bude to skvělá příležitost pro rozvoj znalostí a spolupráce a to nejen v akademickém prostředí. O téma kvantových technologií projevují totiž enormní zájem i firmy. V neposlední řadě to bude příležitost představit toto téma i široké veřejnosti a ukázat jí, jak můj kolega říká, skryté podivnosti kvantového světa.

Čím se přesně zabýváte?

Věnuji se experimentálnímu a teoretickému studiu strukturních, elektrických, magnetických a spektroskopických vlastností nových technologicky perspektivních materiálů. Zabývám se vývojem teoretických metod z prvních principů – za pomoci metody Greenových funkcí. Výpočty z prvních principů (nebo také ab initio výpočty) je zavedený termín ve fyzice a chemii, který označuje metody sloužící k charakterizaci a určení struktury materiálů na základě základních fyzikálních zákonů, jako je kvantová mechanika. Tyto výpočty nám poskytují první nástřel toho, jaké vlastnosti by zkoumaný materiál měl mít. Používají se různé softwarové balíky, které nám umožňují vypočítat informace o elektronové struktuře a dalších vlastnostech materiálů a podle typu softwaru získáte různý typ informací. Ty, kterými se zabývám já, jsou pak vhodné pro popis elektronové struktury pevných látek a na interpretaci experimentálních elektronových spekter.

Ján Minár s kolegy, autor: J. Kapraň

Jakých materiálů se váš výzkum konkrétně týká?

Zaměřujeme se na základní výzkum a objevování nových funkčních materiálů s tzv. emergentními vlastnostmi. Jsou to neočekáváné vlastnosti, které se objevují na makroskopické úrovni v důsledku interakcí a organizace mikroskopických složek, jako jsou atomy, či molekuly materiálu. Tyto vlastnosti jsou například supravodivost, feromagnetismus, topologický řád a kvantové zakotvení.

Naším cílem je posunout hranice možností těchto materiálů a aplikovat je ve fotokatalýze, elektrolýze, palivových článcích, fotonice, mikroelektronice a senzorice.

Od kdy působíte ve výzkumném centru NTC na Západočeské univerzitě v Plzni?

Od roku 2017. Působím zde jako zástupce ředitele pro výzkum a vývoj a vedoucí týmu Pokročilých a kvantových materiálů. Jsem rád, že se můžu podílet na projektu „Kvantové materiály pro aplikace v udržitelných technologiích (QM4ST)″, který NTC získalo v rámci výzvy Špičkový výzkum Operačního programu Jan Amos Komenský.

Co přesně je smyslem práce, na které se podílíte?

Je jím snaha pochopit, proč materiály mají právě takové vlastnosti, jaké mají, a ne jiné. Díky zavedení kvantově-mechanických výpočtů se podařilo tuto oblast pozvednout na novou úroveň. Materiálový výzkum přestal být výlučně experimentální a technologickou záležitostí a teorie se přidružila jako plnoprávný partner.

Jak pracovní týmy pod vaším vedením fungují?

Většinou se týmy specializují buď na teoretické modelování, nebo na experimentální studium materiálů. Naše síla spočívá v propojení těchto dvou aspektů pod jednou střechou. První část našeho týmu se zaměřuje na teoretické výpočty a předpovídání vlastností nových materiálů. Tato práce je podporována druhou částí týmu, která se snaží ověřit tyto předpovědi pomocí experimentů a získat tak experimentální data, která mohou být porovnána s teoretickými modely.

Tento cyklus vzájemné kontroly a ověřování umožňuje vylepšování a korekci našich teoretických modelů, což vede k hlubšímu porozumění zkoumaným materiálům. Kromě toho je naše síla také v tom, že jsme mezinárodní tým, do kterého si každý přinesl rozmanité pohledy a pak v naší bohaté mezinárodní spolupráci, která nám umožňuje dosahovat lepších výsledků.

Takže nejdříve počítáte a pak reálně ověřujete?

Tak nějak… Kromě reálných experimentů na skutečných materiálech máme možnost provádět počítačové experimenty, které jsou ve srovnání s experimenty skutečnými rychlejší, dostupnější a levnější.

Ovšem vždy je nezbytné v klíčových bodech provést kontrolu na reálných materiálech, aby bylo možné počítačové modelování prověřit a korigovat. Vyvstává tak potřeba efektivní a úzce propojené spolupráce odborníků na počítačový i experimentální materiálový výzkum tak, aby došlo k propojení činností v obou oblastech.

Toto unikátní spojení teorie a experimentu se nám v našem výzkumném týmu podařilo vytvořit. V nadsázce řečeno, u nás se nevedou diskuze, kdo má pravdu – my to vypočítáme a pak to ověříme a naopak.

Špičkový výzkum

Dělat špičkový výzkum znamená mít také špičkové vybavení.

My ho máme – i díky projektu na podporu excelentních výzkumných týmů. NTC ZČU mohl pořídit přístroj SARPES, fotoelektronový emisní spektrometr se spinovým a úhlovým rozlišením, který pomohl potvrdit nekonvenční magnetickou fázi, známou jako altermagnetická. Tato fáze umožňuje změny v chování částic v materiálech, aniž by musely mít tradiční magnetické vlastnosti. Její význam spočívá v Kramersově spinové degeneraci, což je téma i název společného článku v časopise Nature. Na návrhu přístroje SARPES se vědci z NTC sami podíleli.

Na čem teď aktuálně pracujete?

Na již zmiňovaném projektu „Kvantové materiály pro aplikace v udržitelných technologiích“, jehož podpora činí téměř 500 milionů korun. NTC je v něm hlavním řešitelem a lídrem konsorcia složeného z Matematicko-fyzikální fakulty Karlovy univerzity v Praze, Ústavu fyziky kondenzovaných látek Masarykovy univerzity v Brně a také pracoviště CEITEC Vysokého učení technického v Brně. Do projektu jsou rovněž zapojeni kolegové z Fakulty aplikovaných věd na ZČU v Plzni. Projekt umožní Plzni a Plzeňskému kraji zařadit se mezi špičku v Evropě a na světě v oblasti nastupujících kvantových technologií a materiálů nejen v oblasti výzkumu, ale i při praktickém využívání těchto technologií v průmyslu. To představuje obrovský potenciál pro růst a rozvoj.

Kromě toho jsme součástí dalších dvou projektů OP JAK Špičkový výzkum: „MEBioSys – Strojní inženýrství biologických a bioinspirovaných systémů“, který vede Fakulta strojního inženýrství Vysokého učení technického v Brně a „SenDISo – Senzory a detektory pro informační společnost budoucnosti“, který je veden experty z Fyzikálního ústavu AV ČR. Počtem získaných projektů v této výzvě se tak NTC zařadilo mezi jedno z nejúspěšnějších výzkumných pracovišť v ČR.

Tisková konference při zahájení projektu Kvantové materiály pro udržitelné technologie QM4ST

Můžete prozradit více o projektu MEBioSys?

Ten si klade za cíl propojení světa přírody a strojů ve prospěch nové generace implantátů a revolučních průmyslových materiálů. Projekt propojuje více než 150 vědců a vědkyň z pěti českých výzkumných institucí a byl doporučen k financování s půlmiliardovým rozpočtem po dobu pěti let. Vedle odborníků na strojírenství budou na projektu pracovat třeba chemici, materiáloví vědci či experti na 3D tisk.

Náš tým bude zodpovědný za výzkum zahrnující širokou škálu oblastí, od vývoje nových slitin a aditivně vyráběných kovových materiálů po bioaktivní funkční materiály na bázi keramiky.

Objev nového jevu – altermagnetismu

Vraťme se k publikaci v Nature o altermagnetismu. Jak jste se na tomto unikátním výzkumu podíleli?

Informace o nové větvi magnetických materiálů, známých jako altermagnety, se objevily v roce 2020. První teoretické předpovědi a experimentální potvrzení přišly od týmu z Fyzikálního ústavu AV ČR v čele s Tomášem Jungwirthem a z Gutenbergovy univerzity v Mohuči. V únoru 2024 byl publikován článek v Nature, který tzv. altermagnetismus experimentálně potvrdil.

Na výzkumu se podílel tým 24 vědců, včetně týmu z NTC. Z NTC byli zapojeni Sunil D´Souza, Zdeněk Jansa a jako korespondenční autor já. Dále na článku spolupracovala i Fatima Alarab, která momentálně pracuje ve Švýcarsku, ale do roku 2022 byla součástí NTC.

Důležitým spoluautorem článku na poli experimentu byl Juraj Krempasky, se kterým spolupracuji už od dob působení v Německu. Navíc nás spojují slovenské kořeny. Juraj pracuje v PSI ve Švýcarsku na synchrotronu, což je pro potvrzování experimentálně získaných dat zásadní, protože má tento přístroj mnohem vyšší rozlišení a lidé, kteří ho využívají, mají opravdu bohaté zkušenosti.

A jakou konkrétní roli jste v objevení altermagnetismu sehrál vy a vaši kolegové?

Náš přínos byl především v oblasti výpočtů, které potvrzují experimentálně naměřená data a umožňují jejich interpretaci. Tyto výpočty nejsou jen jednoduše zadanými úlohami do zakoupených softwarů. Jde o výsledek našich vlastních postupů a použití vlastních softwarů, na kterých pracujeme více než 20 let. Jedná se zejména o sofware SPRKK, který je unikátní a umožňuje hlubší analýzu dat.

Zkušenosti z celého světa

Na NTC jste přišel z univerzity v Mnichově. Jaký je rozdíl mezi výzkumem v Německu a u nás?

Odpověď na vaši otázku se samozřejmě nabízí ve srovnání finančních prostředků, které se na výzkum věnují tady a v Německu. Ačkoli není velký rozdíl ve způsobu financování školství, vědy a výzkumu, v Německu jsou na tyto oblasti vynakládány mnohem vyšší prostředky.

Já bych ale mnohem raději zdůraznil příležitost, kterou jsem v České republice dostal. Jak jsem již zmínil, i když se věnuji teoretické fyzice, velmi rád spolupracuji s výzkumníky „experimentátory“ a snažím se vyvinout metody, které tuto těsnou kooperaci umožňují.

A právě na NTC mi, na rozdíl od Německa, dali příležitost se tomuto směru – spojení teorie a experimentu – naplno věnovat. Umožnili mi vybudovat pracoviště zaměřené na spin-úhlově rozlišenou fotoemisi a na studium a design kvantových a pokročilých materiálů s novými funkcionalitami.

Kde v zahraničí, kromě Německa, jste působil a sbíral profesní zkušenosti?

Například na univerzitě v Nijmegen v Holandsku, v Jülichu v Německu, v Paříži jako zvaný profesor v letech 2014–2016, dále v experimentálních synchrotronových centrech v Grenoblu, Švýcarsku a Berkeley.

Ján Minár se studenty a kolegy v Daresbury

Učíte? Baví vás to?

Vedu zahraniční doktorandky a doktorandy Fakulty aplikovaných věd a Fakulty strojní ZČU, pořádám nebo spolupořádám mezinárodní školy a školení pro studenty: např. jsem vedl kurz zaměřený na úvod do aplikace metody ab-initio ve spektroskopii nebo praktický kurz zaměřený na elektronické výpočty založené na metodice pásmové struktury KKR, který proběhl v listopadu 2021 v Daresbury ve Velké Británii.

Prestižní záležitostí pro mě je spolupráce s letní školou fyziky ve francouzském Les Houches – WE-Heraeus, organizovanou v rámci „École de physique des Houches“. Pro fyziky jde o skutečný pojem, školu absolvovala řada budoucích nobelistů. V roce 2021 jsme byli společně s Hubertem Ebertem z Ludwig-Maximilians-Universität v Mnichově a Didiem Sébilleauem z Univerzity Rennes vybráni jako vědečtí vedoucí letní školy pro postdoktorandy. Na této letní škole se od té doby podíleli již dvakrát.

Podílíte se také na grantu Marie Skłodowska-Curie, z něhož se realizuje jeden ze vzdělávacích doktorských programů nazvaný Evropská spektroskopická laboratoř pro modelování materiálů budoucnosti – EUSpecLab. Jaká je v něm vaše role?

Jsem součástí jedenáctičlenného konsorcia spolu se svým týmem z NTC a společně s Univerzitou Rennes 1 a Univerzitou v Lutychu jsme hlavní hybnou silou tohoto úspěšně získaného grantu. Díky tomu je od ledna 2023 členem týmu NTC mladý nadějný student Ridha Eddhib. Mimochodem ten se na konci června 2024 účastnil 73. Lindau Nobel Laureate Meeting, na který byl vybrán.

Vaše mezinárodní působení je poměrně široké, že?

Je (smích). Jsem členem řady mezinárodních organizací a společností. Historicky jsem se vyskytoval ve výboru a pracovní skupině COST Action MP1306 EUSPEC a působil jako hostující profesor L’université de Cergy-Pontoise v Paříži.

Jsem členem Slovenské chemické společnosti, od roku 2015 i mimořádným členem Centra pro nano vědu – CeNS, LMU München a od roku 2019 Německé fyzikální společnosti. Zároveň působím jako pravidelný oponent grantových agentur: DFG, SFN, FWF, DOE, NSF.

Čím se baví a jak relaxuje kvantový fyzik?

Když zrovna nepřemýšlím o spektroskopii, kvantových jevech a technologických inovacích (smích), rád trávím volný čas sportem. Běhám, hraji tenis a v zimě si užívám lyžování. Sport mi pomáhá udržet se v kondici a také vyčistit mysl. Kromě sportu jsem velkým fanouškem hudby. Můj hudební vkus je hodně rozmanitý – od metalu přes jazz až po klasiku, takže si vždy najdu něco, co mi zvedne náladu.

 

Autorka: Martina Kurfirstová (Vědavýzkum.cz)

---

Ján Minár vystudoval teoretickou a fyzikální chemii na Technické univerzitě v Bratislavě, získal doktorát na Ludwig-Maximilians-Universität v Mnichově, habilitoval se na univerzitě v Mnichově a na Západočeské univerzitě v Plzni v oboru aplikovaná fyzika. Byl jmenován profesorem v oboru Aplikovaná fyzika. Je členem Slovenské chemické společnosti, od roku 2015 i mimořádným členem Centra pro nanovědu – CeNS, LMU München a od roku 2019 Německé fyzikální společnosti. Působí jako pravidelný oponent grantových agentur: DFG, SFN, FWF, DOE, NSF.