Jakub Hrubý: Dostupnost zdrojů v USA mi dává vědeckou svobodu

Jakube, na americké akademické půdě jste třetím rokem. Narazil jste za tu dobu na nějaké zásadní rozdíly v přístupu k práci či studiu?

Musím říci, že nějakých úplně markantních rozdílů v přístupu jsem si nevšiml, spíš si myslím, že je to zde v globálu v Evropě docela podobné. Možná bych řekl, že na rozdíl od Česka mají jinak rozloženou práci na projektech. Zde jich mají v jeden okamžik méně, ale klidně nad nimi tráví čtyři, pět let a pak publikují článek s výsledky svého bádání v prestižním časopise. V Česku je běžné, že vědec pracuje na větším množství projektů najednou, ale nevěnuje jim až tolik času a publikuje rychleji v méně prestižním časopise. Pro obě země naopak shodně platí, že člověk nesmí ve vědě vsadit úplně jen na jednoho koně, protože člověk nikdy dopředu neví, který projekt bude úspěšný a který ne. A myslím, že mně se tady tahle taktika, kdy jsem rozkročený přes několik různých témat, docela vyplácí.

Pro dnešní Evropu je standardem práce v neformálních prostředích, typicky třeba v kavárnách. Je tohle běžné i v Americe, setkávají se lidé nad prací u kávy či v baru?

Mám Ameriku rád, ale určitě si myslím, že co se týče společenských zvyklostí, asi nemusí být úplně pro každého. Třeba tady na jihu, kde působím, opravdu není běžné, že by si lidé ve větší skupině sedli přes den na kafe a řešili pracovní či dokonce soukromé záležitosti. A řekl bych, že tento „nezvyk“ se propisuje i do ostatních oblastí života. Lidé tu mají domy, auta a do práce dojíždějí. Pak přijedou domů a svůj čas tráví v soukromí, ač třeba s přáteli. Čtenáře v Česku asi pobaví, když řeknu, že tady vlastně ani nemají moc chodníků, protože po ulici se tu příliš nechodí. Navíc přes léto tu je 35 °C a vlhko jak v pavilonu tropických rostlin, takže se moc ani nedá chodit venku. Léto na Floridě není jako léto v Evropě, je tu vlhké subtropické klima polovinu roku. Také jsem se tady nesetkal s takovou tou evropskou lehkostí cestování. Doma vás napadne, že jste ještě neviděli Miláno a de facto za pár hodin můžete obdivovat krásu Piazza del Duomo. Tak to tady opravdu příliš nefunguje.

Když už jsme v tom srovnávání, napadá mě, zda je podle vás české technické vzdělání v Americe konkurenceschopné. Může absolvent z Česka v USA obstát a uspět?

Podle mě ano. Myslím, že vysokoškolské vzdělání, které člověk dostane v Česku, je dostatečné k tomu, aby tady mohl něco dokázat. Zejména třeba v oblasti chemie a některých technických oborů. A zejména pokud srovnávám s ostatními národy, protože ty rozdíly napříč kontinenty jsou ve vzdělání a přístupu k vědecké práci opravdu viditelné. Některé země mají totiž třeba úplně jiné standardy bezpečnosti práce a hygieny v laboratořích. USA jsou v tomto ohledu ohromný Babylon, jsou tu lidé z Evropy, Asie, Latinské Ameriky. Prostě z celého světa. A půlka úspěchu tkví v tom, zda člověku takový svět vyhovuje, dokáže se v něm orientovat a do jisté míry se odpoutat od své domoviny, splynout s mezinárodní komunitou a zvyknout si na americké standardy.

K tomu mě ještě napadá otázka, jak vlastně zpětně hodnotíte své studium na CEITEC, když máte nyní zkušenost s výzkumem v USA?

CEITEC mi dal určitě hodně, získal jsem řadu nesmírně cenných zkušeností a kontaktů. Působil jsem tam v době, kdy naše výzkumná skupina teprve vznikala, což s sebou neslo i to, že jsme byli takovými dalo by se říci až průkopníky, protože některá zařízení či další potřebné věci k práci jsme si teprve pořizovali a do jisté míry jsme si i vybavení přímo uzpůsobovali našim potřebám. Nyní můžu srovnávat, protože jsem ve skupině, která funguje roky, což znamená, že do ní vědec přijde a rovnou může začít pracovat. Na CEITEC to tenkrát bylo trochu jiné a musím říci, že mě to vlastně naučilo větší samostatnosti a takové té zdravé schopnosti improvizovat. Ale aby nedošlo k mýlce, CEITEC byl a samozřejmě i nyní je špičkově vybaveným pracovištěm, kde je k dispozici vše, co vědec potřebuje, takzvaně pod jednou střechou.

National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL), v níž pracujete, je největším a nejvýkonnějším světovým pracovištěm tohoto druhu. V čem je například ještě unikátní?

Na rozdíl od konkurence máme přístup k velkému a nepřetržitému množství kapalného helia, takže můžeme měřit za nízkých teplot, běžně kolem 5 K. Hodně laboratoří měří to, co my, ale pouze za pokojové teploty, což je pro ně nesmírně limitující. Helium je důležité, protože díky němu můžeme vzorek zchladit tak, že se spiny elektronů dostanou do základního stavu, a pak sledovat a měřit jejich přechod do prvního excitovaného stavu.

Zároveň jsou tady zdroje kovů vzácných zemin či aktinoidů jako například lanthanu, praseodymu, či lutetia. Toto jsou velmi drahé materiály, kterých je málo a přístup k nim je dost omezený. Projekt, na kterém jsem pracoval, se zabýval právě lanthanoidy a aktinoidy pro kvantové využití. A to i přes to, že existují i lepší kandidáti, na nichž se dají tyto jevy sledovat. Ale tyto dva prvky nejsou zatím příliš prozkoumané co do jejich magnetických vlastností. Proto se jim věnujeme, chceme se o nich dozvědět co nejvíce. Vlastně ani nevím o tom, že by se někdo systematicky výzkumem takových prvků v Česku zabýval. Tady v USA a zejména u nás je přístup k těmto zdrojům a skupinám, které s nimi umí pracovat, jednodušší, a tak s nimi mohu pracovat a založit na nich svůj výzkum. Dává mi to do jisté míry volnost v tom, čím se budu ve výzkumu zabývat. Mám zde větší svobodu.

Loni a letos vám vyšly články, které se věnují oblasti molekulární kvantové informatiky. Co si pod tím můžeme představit?

Zjednodušeně řečeno hledáme materiály se specifickými magnetickými vlastnostmi, na jejichž základě by bylo možné dělat kvantové výpočty. V některých molekulách se elektrony chovají jako maličké magnety (mají spin). Tyto elektrony mohou být v různých energetických stavech, mezi kterými můžeme „přeskakovat“ pomocí mikrovln nebo světla – tomu říkáme přechod. Obvykle platí, že rozdíl energií mezi těmito stavy závisí na magnetickém poli. Pokud se magnetické pole změní, změní se i tento rozdíl energií – a přechod se „posune“. Tzv. „clock transition“ je poté zvláštní případ, kdy si najdeme takový přechod a takové magnetické pole, že i když se pole trochu změní, rozdíl energií zůstane téměř stejný. Díky tomu je tento přechod velmi stabilní a je chráněn proti lokálnímu magnetickému šumu z okolních molekul a prostředí.

A právě ty přechody vykazují prodloužený koherenční čas T2, tedy dobu, po kterou by bylo možné provádět kvantové operace. Zkoumání tohoto jevu je klíčové pro vývoj nových konceptů v kvantové informační vědě založené na spinech elektronu v molekulách připravených chemiky, protože čím je čas T2 delší, tím více logických operací je možné během něj provádět. Stávající systémy, s nimiž se v kvantové fyzice pracuje, mají sice dlouhý koherenční čas, ale nabízejí omezenou škálovatelnost a laditelnost. Proto se s kolegy chemiky snažíme vytvořit vhodný koncept molekul, které poté měříme pomocí pulzní elektronové spinové rezonance a dále studujeme možnosti a limity těchto speciálních přechodů.

Dokázal byste shrnout hlavní cíle těchto vašich výzkumů?

V loňské studii jsme se zaměřili na molekulu praseodymia v oxidační stavu 2+, která poskytuje jeden elektron v základním stavu. Přechod s prodlouženým koherenčním časem je vyvolán hyperjemnou interakcí mezi elektronem a jádrem atomu praseodymia a vyskytuje se v blízkosti nulového magnetického pole. V tomto případě se nám podařilo identifikovat přechod o frekvenci 9,834 GHz, který je měřitelný na pulzním spektrometru, a který vede k trojnásobnému zvýšení koherenčního času oproti ostatním přechodům ve vzorku. Toto samo o sobě není kdovíjaké zlepšení, nicméně v tomto případě nás zajímalo, zda takové přechody vůbec existují.

Loni jste také publikoval zajímavý článek, který pojednával o grafenovém bolometru, který dokáže detekovat elektromagnetické záření přímo na čipu. Oč šlo přesně?

Nejprve je třeba si vysvětlit, co je to bolometr. Bolometry jsou citlivé senzory pro bezdotykové měření změny elektrického odporu v závislosti na změně teploty čidla, na nějž dopadá elektromagnetické záření. Funguje tak, že záření dopadne na citlivý prvek bolometru a nepatrně ho zahřeje, tím se změní elektrický odpor a ten lze převést na intenzitu záření. Tyto přístroje se díky své vysoké citlivosti a schopnosti detekovat nepatrné množství dopadajícího záření používají například v astrofyzice. Využití mají také ve spektroskopiích, jako je elektronová paramagnetická rezonance (EPR), či infračervené spektroskopii a také mikrovlnné/terahertzové technologii. V běžném uspořádání elektronové paramagnetické rezonance se mikrovlny šíří ze zdroje do vzorku a zpět do detektoru. Použitím detekce na čipu jsme našli možnost, jak snížit ztráty při přenosu a odstranit tak celé detekční rameno.

Jak se vám to podařilo?

V současnosti jsou komerčně dostupné bolometrické detektory často založeny na polovodičích ze skupiny III–V (například InSb – antimonid india) a využívají takzvané horké elektrony. Při nízkých teplotách je elektronový plyn v kovu jen slabě svázán s fonony (kmity krystalové mřížky). Po absorpci elektromagnetického záření se elektrony ohřejí, dostanou se mimo rovnováhu s fonony a vytvoří vysokoenergetický elektronový plyn. Podobného jevu lze dosáhnout i pomocí grafenového bolometru na bázi horkých elektronů. Protože ale čistý grafen není pro funkční bolometrická zařízení ideální, bylo nutné jej nejprve upravit. Grafenový bolometr byl vytvořen epitaxí na SiC, tedy složeném polovodiči se širokým pásmovým odstupem, který se díky svým vlastnostem hodí pro aplikace vyžadující vysokoteplotní a vysokonapěťový provoz. Epitaxe je pak proces růstu tenké vrstvy krystalického materiálu přímo na substrátu. Epitaxní vrstva má stejnou krystalovou strukturu a orientaci jako substrát, což v konečném důsledku vytvoří vysoce kvalitní rozhraní mezi oběma materiály.

Následně jsme naprašovali palladium, což vytvořilo defekty v grafenové struktuře. V naší studii jsme použili speciálně tvarovaný grafenový bolometr, který funguje jako kvantová tečka – nanostruktura, ve které jsou elektrony uvězněny. Tyto uvězněné elektrony vytvářejí energetickou bariéru, kterou musí elektrony překonat, aby mohl tečkou téct elektrický proud. Tento princip nám umožnil velmi citlivě detekovat pokles intenzity mikrovlnného záření způsobený rezonanční absorpcí nepárového elektronu. Takový detektor jsme využili k EPR spektroskopii – fungoval současně jako bolometr, i jako substrát pro čipový detektor s organickým radikálem DPPH, což je standardní stabilní radikálový marker pro testování v EPR spektroskopii.

Hovořil jste o tom, že díky takové konstrukci nepotřebuje bolometr detekční rameno, je to tak?

Ano, je. Tento přístup totiž zcela eliminuje potřebu detekčního ramene spektrometru, a tím snižuje ztráty výkonu signálu na cestě k detektoru. V EPR spektrometru při vysokých magnetických polích je detektor obvykle umístěn několik metrů od vzorku. V závislosti na konstrukci spektrometru a provozní frekvenci mohou ztráty v dráze vzorek–detektor dosáhnout až 10 dB – desetinásobný pokles výkonu. Proto je výhodné mít detektor těsně pod vzorkem. Magnetické pole také může ovlivnit činnost detektoru, což jsme také zkoumali u grafenového bolometru a vliv na funkčnost byl zanedbatelný. Externí bolometry je třeba také chladit na nízké teploty, zatímco bolometr na čipu je chlazen společně se studovaným vzorkem. To výrazně snižuje náklady na měření a eliminuje potřebu externě chlazeného bolometrického zařízení.

Dostal se váš bolometr již do praxe? Mohou s ním vědci pracovat?

Zatím ještě ne, my jsme vytvořili prototyp, na němž nyní dále pracujeme. Grafen tedy zatím považujeme za referenční standard a rádi bychom, aby detektor fungoval i s jinými molekulami. Studií, o níž jsem hovořil, jsme prokázali, že technologie funguje. Momentálně tedy naše zařízení ještě není na trhu, ale ukazuje se, že jsme na dobré cestě.

Nyní jste vázaný na Floridě, ale máte nějaký plán do budoucna, chtěl byste v Americe zůstat i po skončení kontraktu na NHMFL?

Momentálně opravdu těžko říci. Situace v USA je v současné době hodně dynamická a je klidně možné, že se časem rozhodnu vrátit do Evropy. Ale teď zde ještě minimálně rok zůstanu, protože mi běží smlouva. Život na Floridě je v mnoha ohledech opravdu jiný než v Česku. Rozdílné je klima, veřejné dění, výběr potravin a přístup ke stravování, je tu samozřejmě jiná příroda, a jak jsem říkal na začátku, jiné jsou tu i mezilidské vztahy. Přesto jsem tady ale zatím spokojený a jsem rád, že můžu svým dílem přispět k budoucímu pokroku. Takže zatím zůstávám otevřený všem možnostem a uvidím.

Autorka: Kristina Blűmelová

Zdroj: CEITEC