Vedoucí Dioscuri center: Od spinkalorimetriky po patent na mikroskopickou metodu

Barbora Špačková, zakládá na Fyzikálním ústavu AV ČR Dioscuri centrum pro jednomolekulární optiku.

Dioscuri centra budou financována částkou až 1,5 milionu eur po dobu pěti let, náklady si rovným dílem dělí česká a německá strana.

Obě za sebou máte několik let v zahraničí, svoji první zahraniční zkušenost jste shodně učinily v rámci programu Erasmus během magisterského studia. Bylo to pro vás klíčové, abyste se později nebály vyjet?

Barbora Špačková (BŠ): Erasmus byl skvělá zkušenost, člověku se najednou otevře svět. Ocitla jsem se v mezinárodní skupině, což jsem do té doby nezažila. Člověk zjistí, že cestování po světě je integrální součástí života vědce. Potom jsem zůstala na doktorát v Čechách, protože jsem otěhotněla hned v prvním ročníku a nejsem zase takový střelec, abych vyjížděla do cizí země s malým dítětem.

Helena Reichlová (HR): Já jsem potřebovala změnu už po bakalářském studiu. Oprášila jsem svoji francouzštinu a absolvovala půlku magisterského studia ve Francii. Tam jsem přičichla k oboru spintroniky, které jsem se potom věnovala během doktorátu v Česku, kde byla výborná spintronická skupina, jak vědecky, tak lidsky. V průběhu doktorátu jsem ještě odjela na rok do Ameriky v rámci Fulbrightova stipendia. Přestože je špičkový výzkum stále často centrovaný do Ameriky, došlo mi, že bych tam nechtěla dlouhodobě žít a vychovávat děti. Poohlížela jsem se tedy po postdoktorské pozici v Evropě.

Helena Reichlová, zakládá na Fyzikálním ústavu AV ČR Dioscuri centrum pro spinkaloritroniku a magnoniku.

Je náhoda, že dvě ze tří nově otevřených Dioscuri center jsou ta vaše na Fyzikálním ústavu?

BŠ: S Helenou jsme se poprvé potkaly na interview, kde jsme si podaly dveře, v tomhle směru výběr nás dvou náhoda byla, postup jsme spolu nijak nekoordinovaly. Nicméně Fyzikální ústav je největším ústavem Akademie věd, takže v přepočtu na hlavu to zase tak velká náhoda není. Výzva vyžadovala finanční spoluúčast českého partnera, a ne každá univerzita nebo institut u nás si to mohl finančně dovolit.

HR: Neznáme přesný počet žadatelů, ale na pohovorech samotných bylo šest lidí. Předtím musela proběhnout výrazná selekce, protože to všechno už byly výborné projekty. Ale jak říká Bára, Fyzikální ústav je velká instituce se spoustou excelentních vědeckých skupin a my jsme od něj cítily silnou podporu. Podobně jako u jiných grantů, ani v Dioscuri nejsou finance investiční – jsou primárně na platy, provoz, chemikálie nebo cestování. Je tam tedy hodně prostředků na bezstarostný výzkum, ale ne na nákup přístrojů. Během vyjednávání Dioscuri projektu tak bylo jednou z podmínek, že hostující instituce musí výzkum podpořit i po této stránce.

Jaká byla vaše cesta k založení Dioscuri centra? Jak jste si vybírali německého partnera, který je podmínkou pro podání přihlášky?

HR: Moje Dioscuri centrum je navrženo tak, abych si udržela předchozí spolupráci s kolegy v Kostnici a Drážďanech. Na konci pobytu v Německu jsme už byli s rodinou přestěhovaní do Čech, jelikož můj partner dostal místo právě na Fyzikálním ústavu. Postupně jsem zjišťovala, jak to v Čechách funguje s financováním, jaké jsou možnosti. Do toho otevřeli výzvu na Dioscuri, která přesně zapadala do mých představ – udržovat si kontakt s Německem, být součástí tamní výzkumné komunity, ale bydlet a mít svoji výzkumnou skupinu v Česku.

BŠ: O Dioscuri programu jsem se dozvěděla, když už jsme se stěhovali ze Švédska do Čech, díky podpoře Marie Skłodowské-Curie stipendia a GA ČR. S hledáním německého partnera mi pomohl kolega, který mě seznámil s profesorem Stefanem Diezem. Už od prvního setkání jsme si fantasticky rozuměli, jak vědecky, tak lidsky. Sestavování vědeckého programu Dioscuri centra tak byla jedna velká radost. Přestože jsme od té doby v pravidelném kontaktu, tak reálně jsme se zatím neviděli, všechny schůzky probíhaly online, takže například ani nevím, jak je vysoký.

Je při skládání týmu zaštítění Dioscuri centrem výhoda?

HR: Sehnat kvalifikovaný personál obecně není triviální, ale zaštítění Dioscuri, respektive Max-Planck Institutem dodává prestiž a zároveň máme k dispozici finance na kompetitivní platové ohodnocení. To je na úrovni post-doktorandů důležitý faktor, ti lidé už často mají rodinu nebo o jejím založení uvažují. Člověk z Česka má za normálních okolností potíž finančně konkurovat nabídkám z Německa nebo Švýcarska.

BŠ: Já startuji svoje Dioscuri v létě, ale už teď mám otevřené výběrové řízení. Z kvality životopisů, které jsem zatím dostala, se zdá, že ve srovnání s loňským výběrovým řízením na GA ČR projekt je kvalita i množství uchazečů větší.

Chceme přispět k vývoji energeticky méně náročných technologií

Heleno, čemu se bude věnovat vaše Dioscuri centrum pro spinkaloritroniku a magnoniku?

HR: Moje centrum je zaměřené na dvě komplementární skupiny efektů, které mají za cíl řešit rostoucí energetickou náročnost informačních technologií. Pokoušíme se objevovat nové principy, které by mohly k přenosu a zpracování informace vést. Jeden z konceptů je přenášet informaci pomocí vlny spinů, které se říká magnon. Vlna spinů může fungovat pro přenos informace místo dosud používaných pohybujících se elektronů. Pokud tedy potřebujeme přenést informaci z místa A do místa B, může elektron sedět na místě a pouze předávat informaci tím, že se kontrolovaně naklápí jeho spin.

Jak se vlna spinů vybudí?

HR: Věnujeme se materiálům, které mají spiny uspořádané. Pokud směřují všechny spiny elektronů jedním směrem, jedná se o feromagnetické materiály primárně používané v současné elektronice, třeba nikl nebo kobalt. Spiny mohou být ale uspořádané i tak, že nebudou všechny směřovat stejně, ale pořád v tom uspořádání bude řád. V materiálech jako je chrom nebo oxid niklu jsou spiny orientované proti sobě, to jsou antiferomagnety, kterých je paradoxně více než feromagnetů. Jejich magnetické vlastnosti jsou však navenek neviditelné. Antiferomagnety nabízejí například mnoho výhod pro energeticky efektivní elektroniku. Tomu jsem se věnovala během své disertace.

Nedávno se ukázalo, že existuje další třída materiálů, která má výhody obou skupin. Těm se říká altermagnety, a opět to nejsou žádné exotické materiály, jedná se například o sloučeninu manganu a křemíku. Na předpovězení a objevování altermagnetů má klíčový podíl místní výzkumná skupina, což byl jeden z důvodů, proč jsem se chtěla vrátit na Fyzikální ústav.

Altermagnety mají využití jak pro spintroniku, tak pro šíření magnonů. Jestliže chceme dát spiny do pohybu, můžeme buďto přiložit elektrické napětí anebo – a to je další větev výzkumu, kterému se věnuji – k nim můžeme přiložit teplotní gradient. To je spinkaloritronika. A tyhle dva obory mě zajímají právě v antiferomagnetech a altermagnetech. Pro výzkum magnonů je také důležité, že altermagnety mohou vedle vodičů nebo polovodičů být také izolátory. V izolátoru se nemohou pohybovat elektrony, ale mohou se v nich pohybovat vlny spinů.

Zařízení, jako je telefon nebo počítač, se při používaní zahřívají, vzniká v nich tedy teplotní gradient. Cílem je jej využít pro generování energie nebo zahřívání úplně předejít?

HR: To jsou dva směry, které, když člověk sní, tak jsou komplementární. Nejdříve se pokusíme omezit zahřívání tím, že nahradíme současné součástky, které fungují na principu šíření elektronů takovými, kde se budou šířit magnony. Tím docílíme menšího zahřívání. Ale ani v divokých představách zahřívání úplně nezmizí. Je tedy dobré mít plán, jak se vznikajícím teplem naložit. Tam může přispět spinkaloritronika, kde se odpadní teplo využije jako zdroj, který indukuje vlnu spinů. Můžeme tedy teplo využít pro další funkci, ať už k vytváření elektrického napětí nebo pro zápis či čtení informace. K tomu ale vede ještě dlouhá cesta.

Zásadní komponentou mikroskopické metody Barbory Špačkové jsou velmi malé fluidní kanálky, v nichž se mohou pohybovat sledované molekuly přirozeně

Mezioborový výzkum odkrývá další vesmíry

Co bude cílem vašeho Dioscuri centra, Barboro?

BŠ: Ponese název Centrum jednomolekulární optiky. Jeho cílem bude vyvinout sadu nástrojů pro studování života na molekulární úrovni. V současné době existuje celá řada přístupů, jak studovat jednotlivé biomolekuly, ale častokrát mají různá omezení. Například v současné době nejpoužívanější metodou je fluorescenční mikroskopie, která pro pozorování jinak neviditelných molekul využívá fluorescenční značky – svítící molekulární majáky, které naváže na studované molekuly. Ty ale mohou měnit přirozené chování biomolekul, což může vést k nesprávným závěrům o jejich funkci v živém organismu. My budeme vyvíjet přístup, který nám umožní prolomit současné limity a studovat život na molekulární úrovni bez jakýchkoli zásahů, v reálném čase, tak, jak ve skutečnosti probíhá.

Budete tedy vyvíjet nový mikroskop?

BŠ: Ano, už ve Švédsku jsem se svými kolegy vyvinula mikroskopickou metodu, která dokáže jednotlivé molekuly zobrazit. Metodu jsme nechali patentovat a založili jsme spin-off společnost, která se zabývá její komercionalizací. V centru plánujeme tuto metodu dále rozvíjet a posunout hranice možného dále.

Naším cílem je nejen pozorování molekul, ale také například možnost identifikovat jejich specifické složení nebo strukturu. Metodu také plánujeme použít pro řešení zásadních otázek biologického výzkumu. Například se budeme věnovat studiu molekulárních procesů souvisejících s neurodegenerativními onemocněními, jako je Alzheimerova a Parkinsonova choroba.

Metoda se jmenuje nanofluidní rozptylová mikroskopie. Co to přesně znamená?

BŠ: Dlouho se věřilo, že pozorování jednotlivých molekul optickým mikroskopem je nemožné, kvůli jejich extrémně malé velikosti a slabé interakci se světlem. My jsme tenhle problém obešli využitím triku založeném na vlnové podstatě světla a interference dvou světelných vln. Tento princip je známý už přes dvě století, ale pro mikroskopii ho bylo možné využít až díky rozvoji nanotechnologií ve 21. století.

Zásadní komponentou je speciální čip vyrobený kombinací nanotechnologických metod, který obsahuje velmi malé fluidní kanálky. Velikost těchto kanálků je sice nanoskopická, ale pořád dostačující k tomu, aby se v nich molekuly pohybovaly přirozeně. Osvícení světlem vede k interferenci rozptýlené vlny na kanálku s vlnou rozptýlenou na biomolekule, což extrémně zesiluje jinak prakticky nedetekovaný signál z molekuly. Jinými slovy, umožňuje vidět to, co bylo dříve neviditelné.

Váš výzkum využívá metody fyziky pro pozorování biologických procesů. Je pro vás mezioborový výzkum lákavý?

BŠ: Už během doktorátu jsem pracovala v mezioborovém týmu, znám jeho dynamiku. Vím, jak je například těžké srovnat mezi jednotlivými obory terminologii. Zároveň je to nejkrásnější část mojí práce, protože se můžu potkávat s lidmi, kteří se věnují částem vědy, kde moje znalosti končí střední školou nebo popularizačními přednáškami. Každé takové setkání je fascinující, odkrývá se vám další kousek vesmíru.

Občas mě překvapuje, co Čechy překvapí

Setkaly jste se někdy se stereotypními pohledy na to, že jste ženy ve fyzice?

HR: Na začátku, když jsem nastoupila na matfyz, byli občas lidé upřímně šokovaní tím, že nějaká holka studuje fyziku. Zahrnovalo to všechny stereotypy, které si představíte, včetně toho, že jako holka jste hloupá, takže nemůžete studovat fyziku. Čím jsem byla starší, tím spíš mi přišlo, že mě lidé začali bát vážně. Mám také pocit, že se to mění generačně.

BŠ: Mám 15letého syna a vnímám skrze něj současnou generaci a posun, ke kterému tam dochází. Nicméně mě občas překvapí, co českou společnost překvapí. Je nepříjemné se setkat se stereotypem, proč jsem si jako holka vybrala fyziku. Na tyhle otázky nevím, jak odpovídat.

A stereotypy o pracujících matkách kariéristkách jste zažily?

HR: S prvním dítětem ještě v Čechách se mi na dětském hřišti stalo, že když se ostatní maminky dozvěděly, že chodím do práce, začaly mě litovat, že se o mě manžel nepostará a musím pracovat. Vůbec jim nepřišlo na mysl, že by někoho práce mohla bavit. Hrozně se mi ulevilo v Německu, tam byli běžně na hřištích také tatínkové. Neexistuje žádná biologická dispozice k tomu, aby se můj partner nebyl schopen starat o roční dítě, stejně jako je schopen umýt nádobí nebo pustit pračku.

BŠ: Nastavení společnosti v Čechách stále není vyrovnané. Někdy mě dráždí, jak se u nás řeší spojení rodičovství s kariérou primárně u žen. Už dávno jsme měli úroveň debaty posunout tím směrem, že dítě má většinou rodiče dva. Přestože je období rodičovství s malými dětmi náročné, pokud se na péči podílí dva lidé, je to o 50 % jednodušší.

Jak mohou výzkumné instituce pomoci rodičům s malým dítětem, viděly jste v zahraničí nějaké dobré příklady?

BŠ: Důležité je celospolečenské nastavení. Ve Švédsku, kam jsme se přestěhovali s tehdy osmiletým synem, je mateřská společná a často rovnoměrně využívaná mužem i ženou. Všichni moji mužští kolegové byli doma s dětmi a neuměli si ani představit, že by to bylo jinak. Nechápali, jak se tatínkové, kteří nemají stejnou zkušenost, napojí na svoje děti.

HR: V Německu jsou běžně státní školky dostupné od jednoho roku dítěte. Společnost je tam obecně práci maminek nakloněná, nikdo nikoho nesoudí. Existují tam různá stipendia a formy podpory od univerzity. Například když má člověk doma malé miminko a potřebuje na chvíli do práce, univerzita zajistí profesionální chůvu, která obejde s kočárkem blok, zatímco vy si vyřídíte schůzku.

Tady má Akademie věd dětské skupiny pro děti, které nevezmou do státních školek. Fyzikální ústav sám o sobě má navíc na všech pracovištích dětské místnosti – jsou to plně vybavené kanceláře pro schůzky, akorát je v nich hromada hraček. Naše děti s námi díky tomu chtějí pořád chodit do práce, protože si myslí, že každý den trávíme obklopeni hračkami. Jsou to drobnosti, které opravdu pomohou. Zároveň je i na nás, abychom ukazovaly pozitivní příklady a pomáhali měnit společenské ovzduší. Proto o tématu vědy a rodičovství ráda mluvím.

Autorka: Vendula Lužná (Vědavýzkum.cz)

Foto: René Volfík

Ilustrace: Daniel Špaček

Helena Reichlová vystudovala Matematicko-fyzikální fakultu Univerzity Karlovy a část doktorátu strávila v rámci Fulbrightova stipendia na Ohio State University. Po doktorátu působila pět let v Drážďanech, během roku 2023 pak současně jako Eleonore Trefftz profesorka na TU Dresden a výzkumník na Fyzikálním ústavu ČR. Od října 2023 vede Dioscuri centrum pro spinkaloritroniku a magnoniku ve Fyzikálním ústavu AV ČR. Má dvě děti, kromě práce ji baví pobyt na horách v jakémkoliv ročním období.

Barbora Špačková absolvovala doktorské studium na Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT v Praze a Ústavu fotoniky a elektroniky AV ČR. Poté pokračovala ve vědecké kariéře na Chalmers University of Technology ve Švédsku. V roce 2020 spoluzaložila společnost Envue Technologies, švédskou spin-off společnost komercializující rozptylovou nanofluidní mikroskopii. V roce 2022 obdržela postdoktorandské stipendium Marie Skłodowské-Curie, které jí umožnilo vrátit se do Čech a pokračovat ve svém výzkumu na Fyzikálním ústavu AV ČR. Od července 2024 povede Dioscuri centrum jednomolekulární optiky. Má jedno dítě a hlavu si čistí běháním po horách.