Otwórz schowek Brak ulubionych odcinków
Fizyka w 2D – jakie supermoce mają atomowe warstwy materii? [E131]

Fizyka w 2D – jakie supermoce mają atomowe warstwy materii? [E131]

Epizod: E131
Pobierz Dodaj do ulubionych

Udostępnij odcinek

Epizod: E131
Pobierz Dodaj do ulubionych

Udostępnij odcinek

Dodaj do ulubionych
Pobierz odcinek

Udostępnij odcinek

Gość odcinka

prof. Andrzej Wysmołek

prof. Andrzej Wysmołek

Profesor w Instytucie Fizyki Doświadczalnej na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Zainteresowania badawcze: fizyka ciała stałego, grafen i jego pochodne, właściwości optyczne półprzewodników, nanostruktury półprzewodnikowe.

Co to właściwie znaczy, kiedy fizyk mówi o materiałach dwuwymiarowych? – Tu chodzi o pewne uwięzienie, o możliwość ruchu – wyjaśnia w Radiu Naukowym prof. Andrzej Wysmołek z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. – To tak, jakbyśmy szli bardzo wąskim korytarzem. Możemy pójść do przodu, do tyłu, podskoczyć, ale ruch na bok uniemożliwiają nam ściany. I to jest istota dwuwymiarowego świata: ograniczony ruch w płaszczyźnie – dodaje. W ten właśnie sposób elektron ma ograniczony ruch w materiałach o cienkości jednego atomu. – To powoduje szereg bardzo, bardzo ciekawych zjawisk, które lubimy badać – opowiada naukowiec.

Na przykład disiarczek molibdenu (możecie go znać z olejów silnikowych, ta substancja zmniejsza tarcie) w warstwie monowarstwowej przejawia wielokrotnie lepsze właściwości optyczne niż w tradycyjnej wielowarstwowej formie. – Niektórzy mówią, że mamy efekt socjologiczny. Warstwa przez oddziaływanie ze swoimi „toksycznymi” koleżankami i kolegami zatraciła swoje prawdziwe właściwości, to, że ona naprawdę jest gwiazdą, która może świecić – śmieje się fizyk.

Takie monowartwy są wytarzane w wielu miejscach na świecie. W celach naukowych również na Wydziale Fizyki UW. Nie jest jednak łatwe. Materia „nie zwykła” funkcjonować w takim stanie. – Natura się broni. Kiedy próbujemy robić coś idealnego, to pojawiają się problemy – opisuje prof. Wysmołek. Właśnie dlatego naukowcy wciąż nie są w stanie wytwarzać dużych (czyli np. centymetrów kwadratowych) powierzchni o idealnych właściwościach.  – Taki idealny grafen jest silniejszy niż stal, ma przewodnictwo lepsze niż srebro, jest superwytrzymały. Natomiast to, co my jesteśmy w stanie aktualnie wytworzyć, to są ciągle materiały, które mają ziarnistą strukturę – wyjaśnia fizyk.

Naukowcy jednak nie ustają w wysiłkach, bo kandydatów na super-materiały jest sporo. Prof. Wysmołek nazywa pracę nad nimi „nanolego” albo „nanokanapki”. Układając materiały o niezwykłych właściwościach warstwa po warstwie będziemy mogli tworzyć fenomenalne rozwiązania technologiczne.

Rozmawiamy też o rozbudzonych nadziejach wokół grafenu, o tym jak sobie poradzić ze zwijaniem się tak ekstremalnie cienkich materiałów, jakby to było dotknąć coś dwuwymiarowego oraz czy dałoby się to dostrzec gołym okiem.

PEŁNA TRANSKRYPCJA

INTRO:

Andrzej Wysmołek: Niektórzy mówią, że jest efekt socjologiczny. Warstwa przez oddziaływanie ze swoimi toksycznymi koleżankami i kolegami zatraciła swoje prawdziwe właściwości, to, że ona naprawdę jest gwiazdą, która może świecić…

Karolina Głowacka: Takimi gwiazdami są warstwy materiałów o grubości, czy może raczej cienkości, jednego atomu. Bo, Mili Państwo, oto ludzkość dzięki swojej ciekawości zajrzała do świata dwuwymiarowego. W tym odcinku spróbujemy wyobrazić sobie jak to jest być elektronem uwiezionym w ekstremalnie cienkiej warstwie materiału oraz co to wszystko może nam, użytkownikom technologii dać. Nazywam się Karolina Głowacka, to jest Radio Naukowe – jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o mnie i projekcie zajrzyj na radionaukowe.pl lub na kanał na YouTubie, gdzie opowiadam o kulisach. A jeśli już mnie znasz i podoba Ci się to co robię, możesz mnie wesprzeć na patronite.pl/radionaukowe, z góry dziękuję! Odcinek 131 – zaczynamy!

***

K.G.: Odwiedziłam pana profesora Andrzeja Wysmołka w jego gabinecie. Dzień dobry.

A.W.: Dzień dobry.

K.G.: Jesteśmy na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Panie profesorze, w 1884 roku Edwin Abbott pisze o Flatlandii, czyli krainie płaszczaków w świecie dwuwymiarowym. Ta książka przez kolejne dekady pobudza do rozważań i pytań, jakby mogło wyglądać życie w takim świecie, a teraz my w XXI wieku – w zasadzie fizyka – taki dwuwymiarowy świat bada. Abbott byłby zadowolony, prawda?

A.W.: Wydaje mi się, że nie tylko Abbott, ale my wszyscy jesteśmy bardzo zadowoleni z tego, że mamy okazję badać taki świat. Zresztą być może państwu też się wydawało, że w takim świecie żyją, bo jak patrzymy na kulę ziemską, to dopóki nie spojrzymy z wysoka, to nie widać, że ona jest kulą, tylko wydaje się nam, że ona jest płaska. I tutaj czasami ten płaski świat jest wokół nas, natomiast to, czym się aktualnie fizycy fascynują, to troszeczkę coś innego. To taki płaski świat w nanoskali. Bo do tego płaskiego świata dodajemy jeszcze wymiar grubości, którym jest aktualnie jeden atom. I można powiedzieć, że to wszystko zaczęło się od grafenu i od takich przełomowych odkryć albo uświadomienia sobie, że grafen, czyli struktura złożona z atomów węgla ułożonych w takiej sieci podobnej do plastra miodu ma zupełnie inne właściwości niż grafit, który wszyscy znali. Czyli ta płaskość już była w tym graficie, tylko trzeba było ją wyodrębnić i zobaczyć, co nowego daje.

K.G.: Właśnie fascynuje mnie, czy mówienie o dwuwymiarowych materiałach jest do końca uprawnione? No bo jednak jest ta grubość, chociażby tego atomu. Więc nie jest to całkiem dwuwymiarowe, tylko ten trzeci wymiar jest bardzo mały.

A.W.: Oczywiście. Tu chodzi o pewne uwięzienie, o możliwość ruchu w tym wymiarze. I tutaj moglibyśmy sobie wyobrazić, jakbyśmy byli zamknięci w takim bardzo cienkim korytarzu, w piramidzie. Idziemy tym korytarzem, jest bardzo wąsko i na boki nie da się przejść. Możemy sobie podskoczyć, możemy pójść do przodu i do tyłu, ale kamienie po prostu uniemożliwiają nam ruch w bok. I to jest istota tego dwuwymiarowego świata, że mamy ograniczony ruch w płaszczyźnie, takiej powierzchni, którą możemy opisać, przy założeniu, że ten trzeci wymiar jest niedostępny. I tutaj pojawiają się niesamowite rzeczy, bo np., jeżeli mamy boisko, które jest ogrodzone płotem, to w trzech wymiarach można z niego uciec, przeskakując przez płot. Ale w dwóch wymiarach ten płot jest barierą nie do przejścia, bo nie można podskoczyć. I teraz to, czym my się zajmujemy, to właśnie takie dwuwymiarowe, warstwowe materiały, które mają tę cechę, że elektron czy też inne cząstki nie mogą się wydostać z tego dwuwymiarowego ograniczenia. I to powoduje szereg bardzo, bardzo ciekawych nowych zjawisk, które my lubimy badać.

K.G.: Nowych czy nowych dla nas?

A.W.: I dla nas jako fizyków, i oczywiście można powiedzieć, że wszystkie te teorie jak w matematyce są gdzieś zapisane, a my tylko to odkrywamy – to już jest kwestia filozoficzna. Ale nowe również dla nas. Podam przykład: jest taki materiał, który jest używany jako smar wysokotemperaturowy. Jak ktoś chce, żeby jego hamulce dobrze działały, to tam są takie odpowiednie elementy, które powinny się przesuwać, żeby nasze klocki hamulcowe były dobrze dociskane do tarć hamulcowych wtedy, kiedy chcemy. No i teraz wiadomo, że te elementy często się przegrzewają. W związku z tym, żeby one naprawdę były ruchome, to potrzebny jest taki smar, który się nie spali, nie stopi, będzie działał w wysokiej temperaturze. I materiałem, który jest stosowany jako taki smar, jest disiarczek molibdenu – MoS2. Tutaj oczywiście puryści powiedzieliby: dlaczego ten człowiek używa disiarczku? Ja staram się nadążać za nazewnictwem naszych kolegów chemików – kiedyś był to po prostu dwusiarczek, ale te nazwy się zmieniają.

K.G.: Substancja ta sama.

A.W.: Tak, ta sama substancja. I w takiej formie objętościowej to jest materiał, który można kopać tak jak węgiel. I składa się z wielu warstw. Ma podobną strukturę jak grafit, czyli mamy warstwy, które bardzo słabo ze sobą oddziałują, a każda taka warstwa jest bardzo mocna, bardzo trudno ją rozerwać. W związku z tym, jeżeli taki materiał znajdzie się między dwoma trącymi powierzchniami, to po prostu te warstwy ślizgają się względem siebie, przesuwają się – tak jak sanki. Mamy doskonały smar. Podobnie zresztą stosuje się grafit jako taki materiał, po którym różne rzeczy się ślizgają. Dawniej ołówki można było robić w ten sposób, że ścierały się kolejne warstwy grafenu z grafitu – nikt o tym wtedy nie myślał, że to grafen i nie zastanawiał się, co tam za ślad zostaje. Ale to był materiał używany jako smar. I teraz trzeba było ludzi, którzy mają bardzo szeroko otwarte spojrzenie na świat, którzy zainteresowali się tym: a co by było, gdybyśmy wzięli jedną taką warstwę? Jakie ona będzie miała właściwości? No i tutaj jest szereg niespodzianek.

K.G.: I o te niespodzianki zaraz pana wypytam, tylko jeszcze chciałabym zrozumieć jedną rzecz. Czyli te niesamowite właściwości dwuwymiarowych materiałów czy inaczej mówiąc, kwantowych, wynikają właśnie z tego, że ten elektron nie może skoczyć góra-dół? On się może przemieszczać tylko po tej płaszczyźnie i to powoduje, że oddziaływania inaczej funkcjonują? To wszystko jest to? Kluczowa sprawa?

A.W.: To jest kluczowa sprawa. Tak jak z tym płotem. Ja bym chciał, żeby każdy miał w pamięci to, że na trójwymiarowym boisku możemy przeskoczyć przez płot i się wydostać. W dwóch wymiarach się nie wydostaniemy, bo po prostu nie ma jak przeskoczyć.

K.G.: No i co takiego się dzieje w takim dwuwymiarze?

A.W.: No np. ten wspomniany disiarczek molibdenu używany jako smar w swojej jednowarstwowej, monowarstwowej formie przejawia zupełnie inne właściwości optyczne. Czyli co to znaczy? Każdy z nas używa teraz oświetlenia ledowego, czyli włączamy sobie do prądu świecącą diodę. Była za to Nagroda Nobla, żeby diody z azotku galu dawały nam białe światło. No i teraz pytanie. Jeżeli mamy oświetlić pokój, żeby był dobrze oświetlony, no to zamiast jednej diody jak jest nam za mało, weźmiemy sto diod. No i wtedy każdy mówi: sto razy więcej oświetlenia. Teraz okazuje się, że z tymi warstwowymi materiałami np. MoS2 czy też siarczkiem wolframu – jeżeli weźmie się pojedynczą warstwę, to pod wpływem jakiegoś zaburzenia np. świecimy na nią laserem i oczekujemy, że ona sama zaświeci. I okazuje się, że taka pojedyncza warstwa świeci kilkaset razy silniej niż warstwa umieszczona w takim stosie, powiedzmy, z pięciuset, tysiąca czy całej objętości materiału. Niektórzy mówią, że mamy efekt socjologiczny, to znaczy, warstwa przez oddziaływanie ze swoimi toksycznymi koleżankami i kolegami zatraciła swoje prawdziwe właściwości, to, że ona naprawdę jest gwiazdą, która może świecić.

K.G.: Niech pan nie opowiada takich rzeczy, bo zaraz pseudocoachowie będą mówili o kwantowych efektach w społeczeństwie. Tak będzie, zobaczy pan. Kwantowy coaching – będą takie książki, a może już są. [śmiech]

A.W.: Jeżeli się będą odnosić do właściwości materiałów dwuwymiarowych, to ja jestem za – żeby tylko to rozumieli. Ale to jest przejaw tego, że to jest coś innego.

K.G.: No ale dlaczego tak jest?

A.W.: Żeby wyjaśnić, dlaczego tak jest, trzeba troszeczkę wejść w fizykę ciała stałego. Można tu dać przykład. Jest krzem, który jest królem elektroniki w tej chwili. Każdy procesor to jest w zasadzie krzem. Ale krzem ma jedną wadę – nie świeci. Nie ma diod świecących krzemu. Dlaczego? Dlatego, że nie lubi. Ponieważ u niego, żeby coś świeciło – powiedzmy, że dodajemy w jakiś sposób energię elektronową, i potem on, wracając, oddaje energię w postaci światła – żeby to robił, muszą być spełnione pewne warunki. Zasada zachowania energii, zasada zachowania pędu – to znamy ze szkoły. Okazuje się, że w krzemie ten elektron jest przenoszony w takie miejsce, że nie jest w stanie jednocześnie świecić światła i oddać pędu. I to go blokuje. W azotku galu, w arsenku galu, czyli tych materiałach, z których się robi świecące diody, nie ma tej blokady i one po prostu świecą. I teraz, co się dzieje w tym MoS2? Otóż, zmniejszając liczbę warstw, zmieniamy oddziaływanie, które powoduje, że z materiału krzemopodobnego robi się nam materiał jasno świecący jak azotek galu. Tak to najprościej można wyjaśnić. Czy jest więcej takich ciekawostek? Jest więcej. Może pani zapyta: a jakie jest zastosowanie tego, że jak coś jest pojedyncze, to świeci mocniej?

K.G.: A jakie jest zastosowanie tego, że jak coś jest pojedyncze, to świeci mocniej?

A.W.: No np. można zrobić mikroznaczniki, które pani będzie miała w kieszeni. Dziesięć na dziesięć mikronów, taki płateczek, który zostanie ścieniony. Ma, powiedzmy, tysiąc warstw, ale jest napisane „Karolina”, wyryte laserem do jednej monowarstwy.

K.G.: Fajny gadżet, ale nikt go nie zauważy. [śmiech]

A.W.: Ale może to zauważyć ktoś, kto np. będzie chciał sprawdzić, czy to pani kurtka została np. na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Albo coś innego. Powiedzmy, że mamy znacznik, ale możemy też używać tego jako znacznik do badania tego, jak narkotyki migrują po świecie. Oczywiście do tego są pewnie inne rzeczy, są jakieś fluorescencyjne znaczniki. Ale to zrobili studenci na Caltechu – wzięli taką płyteczkę, świecili laserem i wypalali ten materiał, aż doszli do monowarstwy. Jak doszli do monowarstwy, to ona zaświeciła. I powiedzmy, że oni tam napisali „Caltech”, ale mogliby napisać np. „Karolina Głowacka”. I mamy coś, co jest pewnym charakterystycznym, niepowtarzalnym elementem, który każdy może mieć. To jest taki przykład.

K.G.: No ale jak to jest takie małe, to ja tego nie zobaczę.

A.W.: Nie, ale możemy znaleźć to pod mikroskopem.

K.G.: Czyli to może być też taka pluskwa.

A.W.: Może być pluskwa, tak. Niektórzy lubią podrzucać pluskwy, takie różne rzeczy. Niektórzy się boją w ogóle nanotechnologii. W Grenoble był taki bardzo silny ruch protestu przeciwko nowemu laboratorium nanotechnologicznemu. Ludzie protestowali, mówiąc, że oni się boją nanotechnologii, że te nanocząstki spowodują, że będzie się ich inwigilować. I oczywiście w tym może być troszkę prawdy, bo mikroprocesory i miniaturowe elementy elektroniczne już służą nam np. do kontroli parametrów wilgotności czy zanieczyszczenia lasu. Wyobraźmy sobie, że mamy takie procesory, kosteczki milimetr na milimetr, na milimetr, wyrzucamy to do lasu, to spada. Potem leci samolot i kontaktuje się z tymi mikrochipami.

K.G.: Co pan mówi, z takim małym? Naprawdę?

A.W.: To jest kwestia tego, czy jesteśmy w stanie to zrobić. To jest przykład. Ja powiedziałem, że ten element jest miniaturowy, że może być takim napisem. Ale równie dobrze, jeżeli to jest tak cienkie, to możemy pomyśleć o bardzo wydajnych źródłach światła, które będą płaskie. I wyobraźmy sobie gazetę, która będzie grubości iluś atomów, którą pani zwinie sobie w rulon albo w kostkę, włoży do kieszeni, a jeżeli pani będzie chciała, to pani ją rozwinie, odczyta, dołączy źródło zasilania albo jeszcze to źródło to będzie coś, co będzie korzystać ze światła zewnętrznego.

K.G.: Właśnie miałam pytać o źródło zasilania, bo prędzej czy później trzeba tę ładowarkę podpiąć. One są raczej takie grubsze. Chyba że da się zrobić też takie supercienkie.

A.W.: No więc właśnie. Materiały płaszczaki są dobre na wszystko. Można robić baterie słoneczne, które będą nam pozwalać zasilać te urządzenia. Już teraz są takie kalkulatory, które nie potrzebują w zasadzie dodatkowych baterii, wystarczy, że jest troszeczkę światła i one już działają.

K.G.: Czyli będzie można pokrywać takimi monowarstwami różne urządzenia?

A.W.: Tu jest pewien problem. Bo oczywiście tak jak z koncepcją grafenu, że mówiło się, że taki grafen idealny jest silniejszy niż stal, ma przewodnictwo lepsze niż srebro, jest superwytrzymały. Natomiast to, co my jesteśmy w stanie aktualnie wytworzyć, to są ciągle materiały, które mają ziarnistą strukturę. I nie ma jeszcze czegoś takiego, żeby to był w skali, powiedzmy, centymetrów czy metrów kwadratowych materiał, który jest taką idealną strukturą, w którym atomy są idealnie ułożone jak w plastrze miodu. Są po prostu ziarenka.

K.G.: Jakieś takie grudki się robią?

A.W.: Tak. Takie ziarenka, bo to płaskie jest. Jak jest wyschnięta gleba, susza, to się robią takie charakterystyczne obszary spękanej ziemi. I tak samo tutaj, tylko że to spękanie to nie jest przerwa – to znaczy, może to być przerwa – ale gdzieś tam jest coś zarośnięte obok, grubiej itd. Jeżeli by pękało, to będzie pękać tam.

K.G.: I z czego wynika trudność? Że to jest nienaturalne dla materii funkcjonować w takim stanie?

A.W.: Świetnie to pani ujęła. Tak. Chodzi o to, że natura się broni i jak my próbujemy robić coś idealnego, to zawsze pojawiają się jakieś procesy, które nam to utrudniają. No i oczywiście to jest cała technologia. Robimy coraz lepszy grafen i tak samo próbujemy robić coraz lepsze materiały dwuwymiarowe. No i jeżeli chodzi o te zastosowania: jaki jest aktualnie jeden z największych problemów na Ziemi?

K.G.: Energia.

A.W.: Coś innego, związane ze zdrowiem.

K.G.: Antybiotykooporność. 

A.W.: Coś innego.

K.G.: Wirusy?

A.W.: Wirusy, bakterie, tak. I teraz, jak można… To znaczy, wirusów to się chyba nie zabija, bakterie tak. Ale unieszkodliwia się je jakoś.

K.G.: Nie da się zabić czegoś, co nie żyje, wiadomo.

A.W.: Tak. Ale jest problem wody. W ogóle dostępu do wody, a poza tym jak ta woda jest, to trzeba ją oczyścić. No i teraz jaki jest jeden ze sposobów czyszczenia takiej wody? Świecimy światłem ultrafioletowym o odpowiednio krótkiej fali czy dużej energii, które zabija, które niszczy bakterie, patogeny. I teraz do tego potrzebne są źródła światła. Najlepiej, żeby to były źródła światła, które będą tanie, które będą wydajne i które będą miały nieskończony czas życia.

K.G.: Jeszcze bym chciała, żeby się ładowały ze słońca, żeby mogły być wykorzystywane w biedniejszych regionach.

A.W.: Oczywiście. Czyli, żeby pobierały jak najmniej energii. No i teraz co pobiera już mało energii? Jak popatrzymy na oświetlenie ledowe, to stosujemy je m.in. dlatego, że ono pobiera znacznie, znacznie mniej energii niż zwykłe żarówki, nawet niż świetlówki. Ciągle polepszamy te efektywności, ale to jest jeden z powodów, że oszczędzamy energię. Kiedyś w rowerach były dynama, jak ktoś chciał świecić, to musiał sobie podkładać to dynamo, ciężej się jechało. Teraz człowiek wkłada baterie do tej lampy ledowej i ona tam świeci przez miesiące, czyli pobiera znacznie mniej energii. Czyli jakich źródeł potrzebujemy?

K.G.: Wydajnych.

A.W.: Wydajnych, czyli półprzewodnikowych. Takich samych źródeł jak te diody, które dają światło widzialne, tylko w głębokim ultrafiolecie. No i teraz takim jednym z kandydatów na taki materiał jest azotek boru. Znowu materiał płaszczak. Materiał warstwowy, który jeżeli grafen jest złożony w takiej heksagonalnej strukturze, tak jak plaster miodu, że jest tylko węgiel, to tutaj na przemian mamy w takich sześciokątach bor i azot. No i teraz tak jak z grafenem, najlepsze struktury uzyskiwało się poprzez eksfoliację, odrywanie płateczków z grafitu, tak samo w azotku boru najlepiej na razie robi się to, jeżeli się malutkie płateczki odrywa z malutkich kryształków typu milimetr na milimetr. Ktoś powie: no czymś takim to na pewno nie zrobimy oczyszczania, dezynfekcji wody. To trzeba mieć materiał, który będzie miał metry czy centymetry kwadratowe, żeby móc zrobić wiele urządzeń naraz, tak jak robimy obwody scalone, żeby mieć skalowalność tego problemu. No i np. na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego zajmujemy się hodowaniem takiego materiału poprzez metody epitaksjalne. Czyli – tutaj chemicy by oczywiście powiedzieli, że to jest ich metoda – i ja się zgadzam. Chodzi o odpowiednie reakcje chemiczne. Puszczamy odpowiednie gazy – jedne, które zawierają bor, inny gaz np. amoniak, który zawiera azot w odpowiednich warunkach, w odpowiedniej temperaturze te gazy stykają się z podłożem, np. szafirem, czyli korundem, poprawnie mówiąc, bo szafir to już jest korund z pewnymi domieszkami, które go zabarwiają. Tak jak rubin to też jest korund z dodatkiem chromu. W każdym razie taki bardzo odporny materiał. I na tym dzięki reakcjom chemicznym można, odpowiednio prowadząc proces, uzyskać pojedyncze warstwy tego materiału.

K.G.: Czyli nie odklejacie gotowe, tylko tworzycie, hodujecie nowe.

A.W.: Tak. Najlepiej to, żeby one same chciały rosnąć, tak, jak to w naturze.

K.G.: A pewnie nie chcą.

A.W.: No nie chcą. I na razie mamy tutaj już osiągnięcie, że jesteśmy w stanie na takich już naszych cienkich warstwach wyhodować inne płaszczaki. Np. takie, które mogą mieć zastosowania w technologiach kwantowych, kryptografii kwantowej.

K.G.: To też jest wątek, o który będę pana wypytywać. Jak duże udaje wam się te warstewki zrobić, jeśli chodzi o powierzchnię?

A.W.: Na razie mamy urządzenie, które ma ograniczenie, jeżeli chodzi o rozmiar tego podłoża, tj. dwa cale. Czyli to jest około pięciu centymetrów średnicy.

K.G.: To dużo.

A.W.: Tak, to jest już dużo. To jest oczywiście urządzenie naukowe. I takie maszyny, które są w fabrykach, mają więcej – sześć cali czy jeszcze więcej. I wtedy takie podłoża, w których są jakieś struktury, układ warstw wędrują. I dochodzimy tutaj do takiego kluczowego pojęcia jak Nano Lego. Czyli tak jak się składa klocki Lego i można z nich zrobić wszystko – helikopter, domek – ja kończyłem na domku, ale powiedzmy, że w tej chwili te możliwości są ogromne. Zresztą mogę powiedzieć, że pamiętam, jak dzieciom kupiliśmy po raz pierwszy Duplo. My z żoną nie mieliśmy możliwości się tym bawić, więc jak kupiliśmy tym dzieciakom – to już było wiele lat temu – to przez pół nocy się tym bawiliśmy, żeby to zobaczyć. [śmiech] Więc teraz ja mam radość z tego, że my możemy takie warstwowe struktury układać. Co z tego można zrobić?

K.G.: Ale po co warstwy, skoro chcieliśmy pojedyncze warstwy?

A.W.: No właśnie. Teraz, jeżeli chcemy np. doprowadzić prąd elektryczny, zasilić naszą świecącą diodę, czyli nasz układ, który będzie dawał światło, chcemy podłączyć do źródła prądu, no to, czego potrzebujemy? Na zewnątrz to są jakieś kabelki z miedzi czy z jakiegoś innego materiału, które dobrze przewodzą prąd. No ale teraz ten materiał aktywny musi być w jakiś sposób połączony z tymi przewodnikami. Czyli potrzebna jest warstwa np. grafenu, który bardzo dobrze przewodzi prąd. Na to możemy włożyć warstwę aktywną jakiegoś innego naszego materiału, który np. będzie dobrze świecił. Tak jak mówiłem – siarczek wolframu czy tam coś innego. Na to położyć jeszcze inną warstwę, taką przewodzącą, przyłożyć prąd i sprawić, żeby to świeciło.

K.G.: Czyli taka nanokanapka?

A.W.: Właśnie nanokanapka. I teraz, jakie są ograniczenia? Nie ma ograniczeń. To, co sobie wymyślimy, możemy skonstruować taki system, w którym będziemy nakładać warstwę na warstwę – czy to będą przewodniki, izolatory np. na przewodniki – w zależności od tego, co chcemy uzyskać. I okazuje się, że taka rzecz w sumie będzie bardzo cienka. Może to być trzydzieści warstw atomowych, pięćdziesiąt, sto. I to ciągle będzie elastyczne, ciągle będzie można z tego zrobić taką kartkę, którą się da owinąć wokół ręki.

K.G.: No właśnie, pan mówi o elastyczności, a ja bym powiedziała o takim ryzyku nadmiernej elastyczności. Przecież jak mamy coś supercienkiego, to wiemy, że to nam się zwija, majta, nie da się tego utrzymać w rękach. No to jak wy możecie właśnie to układać warstwa po warstwie?

A.W.: Super, bardzo dziękuję za to kolejne bardzo celne spostrzeżenie. Otóż ta myśl, że dwuwymiarowe nie może swobodnie istnieć, to była bariera w badaniach materiałów warstwowych. To się nazywało klątwa Landaua. Teoretycznie rzeczywiście tak jest, można to udowodnić, że taki idealnie cienki materiał jest niestabilny. Możemy sobie zrobić takie doświadczenie – każdy z państwa może wziąć kartkę papieru, położyć ją na stole i zacząć wysuwać brzeg tej kartki poza krawędź stołu. Zobaczycie, że krawędź będzie się uginać. Jeżeli byśmy wzięli dwie kartki i spinaczem je na końcu spięli, i zaczęli wysuwać poza stół, okaże się, że ten materiał jest bardziej sztywny. Czyli im grubsze będzie to coś, tym będzie sztywniejsze. No ale jaki jest na to sposób? Powiedziałem, że my przecież robimy te materiały na jakichś podłożach, czyli możemy je ustabilizować. Np. na szafirze możemy je zrobić, zrobić sobie całą strukturę, ona będzie płaska, taka jak chcemy. Teraz możemy ją zdjąć i odłożyć na coś innego – to jest przyszłość, ale np. na ubranie.

K.G.: A to nie psuje efektu? Że się to położy na czymś.

A.W.: Może popsuć z oddziaływania z tym materiałem. Czyli trzeba zadbać o to, żeby odkładać to na taki materiał, który nie popsuje nam tych właściwości, które ma ten układ. Czyli np., jeżeli mamy coś, co polega na właściwościach izolacyjnych i nie ma przepływać tam prąd, jeżeli to położymy na miedź, no to ten prąd będzie przez tę miedź przepływał i zniszczy nam cały efekt. Oczywiście, żeby się tego pozbyć, no to trzeba ten nasz aktywny materiał pokryć czymś, co będzie chronić nas przed wpływem miedzi. Czyli to jest też bardzo dobry kierunek rozumowania. Otóż te wszystkie płaszczaki są bardzo czułe na zewnętrzne zjawiska. To jest praktycznie powierzchnia, w związku z tym można powiedzieć, jak to jest. Jak usiądzie np. jon z powietrza – mamy zjonizowane ileś ładunków, zjonizowanych jonów w gazie – i takie coś usiądzie na naszym materiale, to pytanie, jak ten materiał się zachowa. Tutaj trzeba zabezpieczyć taki materiał i czasem się to nazywa enkapsulacja. Ale tak naprawdę to jest zamykanie jakimiś ochronnymi warstwami. I azotek boru, który hodujemy, właśnie też do tego się nadaje. Żeby zabezpieczyć grafen i sprawić, żeby on przewodził bardzo dobrze prąd, żeby miał lepsze właściwości, to najczęściej odkłada się go właśnie na azotek boru, który go przykrywa i chroni.

K.G.: Ja wiem, że to jest na razie niewykonalne, ale wyobraźmy sobie, że mamy taką warstwę grafenu, powiedzmy, o wielkości kartki A4. I co się dzieje, ona się natychmiast zwinie w kulkę? Co by się stało?

A.W.: Zwykle jak otrzymujemy taki grafen, to otrzymujemy go na jakimś podłożu.

K.G.: Czyli on solo w ogóle nie może funkcjonować?

A.W.: Może. Możemy np. włożyć takie coś z podłożem do wody. Grafen jest hydrofobowy. I przez jakieś reakcje chemiczne, odtrawienie czy oderwanie tego grafenu od podłoża, on zacznie pływać na powierzchni wody.

K.G.: No to właśnie o to chodzi, ja chcę go solo zobaczyć. 

A.W.: To teraz można go położyć na ramkę, wyjąć z tej wody – łatwo się mówi, wyjąć – ta woda może popsuć grafen. Ale można to zrobić.

K.G.: Ale go nie zobaczę, bo on jest tak cienki, że jest niewidzialny. Czy widzialny?

A.W.: No więc właśnie, jest bardzo cienki, ale on odbija ileś światła i ileś światła absorbuje. Pojedyncza warstwa grafenowa absorbuje dwie i trzy dziesiąte procenta światła. Czyli jakbyśmy poświecili obok grafenu i na grafen, to zobaczymy, że dwa procent światła mniej będzie przychodzić. Ale zapewniam panią, że jak pani zobaczy monowarstwę, która będzie wisieć na jakiejś dziurce, to poświeci pani laserem albo światłem latarki i zobaczy pani odbicie tego światła.

K.G.: A dotknę, wyczuję to?

A.W.: Jeżeli pani dotknie, to teraz jest kwestia tego, czy go pani rozerwie, czy nie. Jeżeli byłby to idealny grafen, to tak. Ale ciągle takiego grafenu nie mamy, ciągle to jest ta ziarenkowa struktura.

K.G.: Czyli on by się po prostu rozsypał?

A.W.: Te takie idealne materiały osiągamy w rozmiarach mikrometrów, no to trudno, żeby pani go dotknęła palcem. Ale może pani go dotknąć np. mikroskopem sił atomowych, taką igłą, naciskać i patrzeć, jaki on jest sprężysty. Zresztą tak samo można naciskać pojedynczą nanorurkę.

K.G.: Ja też przyznaję, że nie rozumiem tej właściwości idealnego grafenu, tej superwytrzymałości. Z czego to ma wynikać? Włos łatwo rozerwać, bo jest cienki, a tutaj mamy coś ekstremalnie cieńszego.

A.W.: Tu chodzi o siłę wiązania, czyli energię wiązania pomiędzy atomami węgla. Po prostu ona jest bardzo duża. Jak przeliczymy ją na powierzchnię tego materiału, to wychodzi, że to jest bardzo silny materiał. Trudno go rozerwać. Ale można wziąć ileś takiego trójwymiarowego materiału, np. wolframu. Ileś warstw czy jakaś grubość wolframu będzie miała taką wytrzymałość, dojdziemy do takiej grubości jak pojedyncza warstwa grafenu. No a skąd się bierze wytrzymałość wolframu? Z oddziaływań pomiędzy atomami. To wynika z takich podstawowych rzeczy, że np. w powietrzu, którym oddychamy, mamy głównie tlen i azot. Ale one nie występują w formie atomowej, tylko tworzą cząsteczki. Cząsteczki, które bardzo trudno jest rozerwać. Dlatego, żeby je rozerwać, potrzebna jest duża energia, duża siła. I tak samo jest z grafenem i w tych innych płaszczakach, że bardzo trudno jest rozerwać je w płaszczyźnie, natomiast one na zewnątrz bardzo słabo oddziałują.

K.G.: Pomyślałam o tym, o czym mówiliśmy na początku, jak zadałam takie klasyczne pytanie o to, czy odkrywamy te materiały dla siebie, czy w ogóle. To wychodzi na to, że gdyby nie interwencja inteligentnej istoty, w tym przypadku nas, to by te materiały jednowarstwowe nie funkcjonowały w naturze. Czyli my je tworzymy na nowo dla natury, tak?

A.W.: Ja bym aż tak pyszałkowaty nie był. [śmiech] Ale w pewnym sensie tak, odkrywamy to, co natura ukrywała przed nami. Wydaje mi się, że bardzo duża część tej dwuwymiarowej fizyki to jest coś, co my już znamy, bo to nie jest tak, że to tylko w grafenie czy w disiarczku molibdenu takie efekty występują. My zaczęliśmy od budowania struktur dwuwymiarowych, od budowania studni kwantowych. Czyli nakładaliśmy bardzo cienkie warstewki materiału metodami epitaksjalnymi, czyli np. kryształ arsenku galu z dodatkiem glinu, potem arsenek galu, potem znowu arsenek galu z dodatkiem glinu i wtedy tworzyła nam się taka dwuwymiarowa struktura. Mówiliśmy o studni kwantowej. Ale to znowu jak w tej piramidzie, mamy dwie ściany – te dwie ściany to są te materiały mieszane, arsenek galu z dodatkiem aluminium i jest gdzieś arsenek galu, w którym elektrony mogą się poruszać. Co więcej, można robić takie złącza, gdzie jest krzem i metal.

I te materiały, tego typu dwuwymiarowe struktury dostarczyły nam szereg radości, jak np. Nagroda Nobla Klausa von Klitzinga za kwantowy efekt Halla, potem kolejna nagroda za ułamkowy kwantowy efekt Halla, w którym odkryto nowe quasi-cząstki tzw. fermiony kompozytowe. Zapytacie państwo, co to takiego jest? Powiem tylko tyle, że elektron może zacząć dowiązywać do siebie kwanty pola magnetycznego i zaczyna się zachowywać jak taka quasi-cząstka o innych właściwościach. A sam ten ułamkowy czy kwantowy efekt Halla to jest taki efekt, który jest bardzo ciekawy, w pracowni studenci pewnie uważają, że to jest nudny efekt – przykłada się pole magnetyczne do kawałka jakiejś płytki, jakiegoś materiału i pojawia się pewne napięcie, które jest proporcjonalne do wielkości pola. Zwykle im większe pole, tym większe to napięcie. W kwantowym efekcie Halla okazuje się, że zaczynają się schody – przy pewnym polu są schodki, zwiększa się pole i nic się nie dzieje, potem znowu jest następny schodek i następny.

K.G.: To tylko powiedzmy, że kwanty to jest właśnie porcjowanie.

A.W.: Właśnie. Jakie porcjowanie? Wysokość tych schodków jest określona przez stałe fizyczne – ładunek elektronu, stała Plancka.

K.G.: Czyli jesteśmy u fundamentów natury.

A.W.: U fundamentów. Tu już możemy zacząć zadawać pytania o to, skąd my jesteśmy, co my tu robimy, dlaczego to jest tak. I z punktu widzenia fizyków to jest właśnie ta ciekawość: dlaczego to tak jest? A teraz jak pani zapyta: ten kwantowy efekt Halla to takie egzotyczne zjawisko, kto tego używa? Okazuje się, że w tej chwili zmienił się układ jednostek. I teraz jednym z bardzo ważnych elementów jest właśnie ten opór, którego wielkość nazywa się Klitzing. Profesor Klitzing jest bardzo dumny, jak o tym mówi – teraz to się będzie nazywać Klitzing. Można to wyrazić w omach, ale teraz będą Klitzingi. To też ma zastosowanie. Ale to jest tak, że jak my myślimy o rozwoju fizyki czy w ogóle nauki, to według mnie są różne sposoby docierania do nowych odkryć. Jeden to jest nasza myśl, że my marzymy o czymś. Tak jak np. Leonardo da Vinci marzył o lataniu, no i zaczął rysować te maszyny. I ta idea, że chęć latania przetrwała przez ileś wieków, i w końcu latamy. Troszeczkę inaczej niż sobie to wyobrażał Leonardo, ale latamy. Z drugiej strony mamy takie pomysły jak np. pomysł profesora Andrzeja Trautmana, który polegał na tym, że wywnioskował, badając teorię względności, że istnieją fale grawitacyjne. To był koncept teoretyczny, że istnieją takie fale. I wtedy doświadczalnicy zaczęli myśleć, jak to zmierzyć.

K.G.: Złapali się za głowę, bo to przecież wydawało się niemożliwe.

A.W.: Tak. To jest tak subtelny efekt, że można się sprzeczać, czy to Higgs, czy fale grawitacyjne, co jest bardziej skomplikowane. Ale technologicznie oznacza to, że ludzkość zrobiła ogromny krok, żeby mierzyć takie małe rzeczy.

K.G.: Bo to były te pierwsze zarejestrowane fale grawitacyjne. Jeśli dobrze pamiętam, to były chyba o amplitudzie protonu czy coś takiego. 

A.W.: Proszę państwa, jedno słowo: statystyka. To znaczy, nie da się tego w jednym takim pomiarze, tylko trzeba mieć bardzo, bardzo dużo pomiarów, interferencje. Jak się popatrzy na ten eksperyment, to tam wszystko, co fizyka ma do dyspozycji, jest wykazywane.

K.G.: Dlatego też są dwa obserwatoria, żeby były te same efekty zaobserwowane w dwóch miejscach.

A.W.: Tak. Jak chcemy zlokalizować, gdzie było trzęsienie ziemi, no to musimy mieć informacje z dwóch kierunków. Wtedy, badając odpowiednie czasy przylotu tych zjawisk, możemy powiedzieć, skąd jest źródło. Tutaj też tak można robić, tylko obserwatoriów będzie więcej i pewnie będziemy słuchać tych syren kosmicznych, jak tam czarne dziury się zapadają czy coś takiego. Dla mnie to jest coś niesamowitego. To jest oczywiście daleko od moich zainteresowań, bo się zajmuję fizyką ciała stałego, spektroskopią, ale to jest coś niesamowitego, bo mamy nowe narzędzie.

K.G.: Nowy zmysł.

A.W.: Nowy zmysł. Było światło i to, co my wiemy o wszechświecie do tej pory, to światło nam przynosiło, a teraz jeszcze przynoszą fale grawitacyjne.

K.G.: Czyli są dwa sposoby odkrywania czy pracy w fizyce. Jak pan mówi: albo marzenie, albo teoretyczna analiza tego wszystkiego.

A.W.: Tak. Powiedziałbym tak, że mamy jakieś doświadczenie, którego nie możemy wyjaśnić. Przypomnę, np. ruchy Browna. Czyli mamy pyłek kwiatowy na wodzie, patrzymy pod mikroskopem, to się rusza. Zamrażamy to, odmrażamy, rusza się. Trzymamy w ciemności przez dwa tygodnie, patrzymy, znowu się rusza. Dlaczego się rusza? No i jest Einstein i Smoluchowski, którzy to wyjaśniają. To znaczy, jakby w Polsce pana profesora Cichockiego zapytać, to oczywiście ja też się z nim zgadzam, że wkład Smoluchowskiego był większy. Niestety zmarł przedwcześnie i nie dostał Nagrody Nobla. Ale to ludzi inspirowało – skąd się to bierze? No i wyszło, że najprościej mówiąc, jest to efekt kasyna, że mamy pewne fluktuacje. Zwykle wygrywamy, przegrywamy, jeżeli nie mamy fałszowanych kości czy coś takiego. Ale są momenty, w których jest ktoś, kto ma serię wygrywań. I jak dobrze skończy, to wygra. Tak samo jest tutaj w tych ruchach Browna, że mamy cząsteczki wody, które są w ciągłym ruchu, jeżeli mamy temperaturę powyżej zera bezwzględnego. I grupy tych cząsteczek zderzają się np. z pyłkiem kwiatowym i go poruszają. Możemy to zrobić też w mleku – zrobić sobie roztwór mleka w wodzie i możemy patrzeć, jak kuleczki tłuszczu drgają. I teraz, czy to chodziło tylko o to, że mamy wyjaśnić ruchy Browna? Okazuje się, że to jest bardzo silnie związane z niebieskim kolorem nieba. Bo tam też mamy fluktuacje związane z ziarnistą budową materii.

K.G.: Ale to pan, opowiadając o tym, w jaki sposób fizyka pracuje, w gruncie rzeczy już odpowiedział na mój zbliżający się zarzut. Mianowicie w momencie, kiedy grafen się pojawił, to była eksplozja medialna, wszystko nam obiecywano – mogę tak powiedzieć. To miała być rewolucja już za rogiem. A tu co słyszymy? Że to jakieś maleńkich rozmiarów warstewki są tworzone i tak spektakularnych zastosowań nie widać. 

A.W.: No nie jest tak, że nie ma tych zastosowań, bo produkuje się tony takiego grafenu płatkowego. Czyli bierze się np. grafit, rozwarstwia go i te płatki jak są bardzo cienkie, to mogą służyć do budowy superkondensatorów, do takich urządzeń, które będą np. magazynować energię. Np. mamy teraz elektryczne samochody, więc chcemy mieć bardzo pojemne baterie. I teraz jak to uzyskać? Pewnie ze szkoły państwo pamiętają, że jak mamy kondensator, to ile tam ładunku się zmieści, zależy od tego, jak daleko są okładki kondensatora. Im bliżej one są, tym mamy większą możliwość zmagazynowania ładunku. I teraz takie bardzo, bardzo cienkie grafenowe płatki można wykorzystać właśnie do magazynowania jako coś, co ma bardzo dużą powierzchnię i jest bardzo cieniutkie, i można w to wepchnąć bardzo dużo energii. To jest jeden z przykładów. Takich przykładów, w których grafen w takiej postaci płatkowej, a nie postaci dużych powierzchni się wykorzystuje, jest bardzo dużo. Ale nie oznacza to, że te pierwsze idee, że będzie to rewolucja, jeżeli chodzi o elektronikę, już upadły. Nie, nie, nie. Te wszystkie płaszczaki, tak jak powiedziałem, wykorzystują grafen jako elektrodę przewodzącą.

K.G.: Czyli to był taki punkt wyjścia? 

A.W.: Tak. Moim zdaniem to był punkt wyjścia. A teraz, jeżeli mówimy o tych rozgrzanych oczekiwaniach, to w nauce, ale też w życiu lubimy mieć dobre perspektywy. Jeżeli pojawia się pewien pomysł, że nagle znajdujemy materiał, który może rozwiązać szereg problemów i przedstawimy to w prosty sposób, to ta informacja zaczyna funkcjonować w społeczeństwie, jeżeli to jest dobrze przedstawione. I wtedy jest taki samonapędzający proces, w którym np. dziennikarz przychodzi i mówi: ale co by z tego można zrobić? No i ja miałem sam takie przykłady…

K.G.: Sami o tym rozmawialiśmy kilka lat temu.

A.W.: No właśnie. Mam nadzieję, że pani pamięta, że nie mówiłem, że już będziemy mieć od razu wszystko.

K.G.: To nie, ale…

A.W.: Ale nadzieje były, tak?

K.G.: Tak.

A.W.: I tu wydaje mi się, że trzeba mieć cierpliwość i wyrozumiałość.

K.G.: A to jest tak, że pan jest zaskoczony, że nie idzie tak łatwo, że ta natura jest trochę oporniejsza czy spodziewaliście się w sumie, że to potrwa?

A.W.: Ja jestem optymistą, więc wydawało mi się, że to będzie szybciej. Ale biorąc pod uwagę te wspomniane świecące diody, to przypomnę, że azotek galu i ta idea, żeby z niego czerpać światło, pojawiła się w latach siedemdziesiątych. Pierwsze świecące diody na rynku to są lata dziewięćdziesiąte. Proszę zobaczyć, jak długo to trwało. Więc ja rozumiem, że czasami jest tak, że my mamy pewną wizję, ale rzeczywistość koryguje tę wizję i pokazuje, że powinniśmy może iść w innym kierunku. I w przypadku grafenu to jego rola oprócz tego, że nie ma takich zastosowań, które by każdy człowiek widział – no bo to, że rakieta tenisowa ma trochę grafenu…

K.G.: A ma?

A.W.: Są takie, które mają odpowiednie włókna z grafenem, ale to nie jest coś takiego bardzo spektakularnego. A może jest? Nie wiem, może trzeba potrafić grać taką rakietą. Niektórzy mówią, że są bardzo szybkie, ale ja tego nie sprawdziłem. Ale chodzi o to, że grafen otworzył nam nowe pole. I oczywiście pani redaktor powie: no to znowu otwieracie nowe pole z tymi płaszczakami i z tym wszystkim…

K.G.: Otwieracie, otwieracie, zamknijcie w końcu. [śmiech]

A.W.: Tak. [śmiech] W przypadku świecących diod temat został zamknięty. To znaczy, nie zamknięty, widać, że jest zastosowanie. I to zmienia nasze życie. I ja liczę, że te płaszczaki również przyniosą coś nowego. Ale teraz ja nie mogę dać gwarancji. Ja jestem na uniwersytecie, więc niektórzy mówią, że dziewięćdziesiąt dziewięć i dziewięć dziesiątych procenta to są nietrafione pomysły i dopiero ten promil czy tam parę promili to jest to, co rzeczywiście się uda. Więc nie mogę zagwarantować, że płaszczaki będą mieć większy sukces niż grafen.

K.G.: To na koniec – bo obiecaliśmy – potencjalne zastosowanie w technologiach kwantowych i kwantowej informacji. Bo mówił pan o tym, że to może tutaj być.

A.W.: Gdybym miał dać przykład, taki bliski sercu, to azotek boru – pewnie państwo słyszeli o kryptografii kwantowej, o splątanych fotonach, o źródłach pojedynczych fotonów…

K.G.: Profesor Artur Ekert był w Radiu Naukowym.

A.W.: No właśnie, to już trudno o lepsze źródło informacji. Ja jestem po stronie tych, którzy próbują wytworzyć takie materiały, które będą produkować te pojedyncze fotony czy te splątane fotony. I te materiały warstwowe to jest znowu coś, co daje nadzieję na nowe otwarcie… Może nie nowe otwarcie, ale pewne nowe możliwości. Na takim wykładzie na trzecim roku szukałem specjalności, czym ja mam się zajmować i wtedy to było takie wielkie podekscytowanie nad przewodnictwem. No i zapytałem panią profesor Kamińską, z którą miałem wykład, czy ktoś tutaj na tym wydziale zajmuje się nadprzewodnictwem. Ona tak pomyślała i mówi: „– W zasadzie eksperymentalnie – bo to mnie interesowało – nie ma takich osób. – Jak to? To czym się pani zajmuje? – Ja się zajmuję defektami arsenku galu. – Jak można się zajmować defektami?”. No i teraz proszę zapytać, z czego miałem pracę magisterską.

K.G.: Czyżby z defektów? [śmiech]

A.W.: Właśnie. Otóż okazuje się, że takie centra defektowe nie zawsze mogą być czymś, co jest niepotrzebne. Np. w diamencie jest taki sławny defekt – luka atomu azotu. Taki kompleks. Niektórzy mówią też „wakancja”, ale to ten brak atomu.

K.G.: Dziura?

A.W.: Taka dziura, brak. Niektórzy mówią luka, niektórzy wakancja. I azot. I to centrum ma taką właściwość, że emisja jego światła, jeżeli się odpowiednio pobudza, jest bardzo czuła na pole magnetyczne, a samo centrum posiada spin, czyli takie coś, co jest związane z mechaniką kwantową.

K.G.: Właściwość?

A.W.: Właściwość. Czyli często rysujemy sobie, że mamy strzałeczkę do góry, strzałeczkę na dół – to są takie nasze bardzo proste wyobrażenia, które nie zawsze działają, ale tak można sobie wyobrazić, że mamy moment magnetyczny związany ze spinem. I teraz okazuje się, że takie centrum można optycznie ustawić w jakiejś konfiguracji spinowej, czyli zapamiętać coś. I odpowiednik tego mamy np. w azotku boru. Czyli oprócz tego, że diament – bardzo trudno robić duże kryształy, trójwymiarowe, grube – to tutaj możemy robić w azotku boru bardzo cienkie warstewki, w których będą właśnie takie luki czy jakieś inne defekty, które będą miały spin i znowu będą czułe na pole magnetyczne, będzie można je odpowiednio przestawiać, np. światłem i doprowadzać do tego, żeby emitowały fotony o określonych parametrach.

K.G.: Czyli ten spin ma być nośnikiem informacji?

A.W.: Tak.

K.G.: Tak jak jest ładunek w elektronice klasycznej?

A.W.: Tak. Tylko że spin to jest taka właściwość, która jest mniej podatna na zewnętrzne warunki. Elektrony będą odczuwały inne ładunki. Można powiedzieć, że spiny też będą odczuwać inne spiny, ale trudniej jest zmienić stan spinowy niż stan elektronu. I to wykorzystuje cała spintronika – że manipulujemy czy wpływamy na spin, na to, czy jest do góry, na dół, tak mówiąc prosto. I możemy zapisywać informacje, ale też możemy za pomocą takich defektów badać bardzo małe pola magnetyczne. No i teraz z azotku boru można sobie wyobrazić taką płachtę. I moi współpracownicy, młodzi doktoranci potrafią właśnie z takiego pięciocentymetrowego podłoża zdjąć taką warstewkę azotku boru i jeżeli tam ma się te luki, te defekty, to one będą czułe na pole magnetyczne. Czyli można położyć sobie coś takiego np. na próbkę jakiegoś granitu czy jakiejś skały, której chcemy zobaczyć, jaki był paleomagnetyzm, jakie było pole magnetyczne ileś tam milionów lat wcześniej.

K.G.: No teraz to mi się oczy otworzyły szeroko, wyobrażając sobie możliwości. 

A.W.: Chodzi o to, że teraz mamy nową jakość, że to może być bardzo cieniutkie, nanometrowe i być bardzo blisko tego badanego obiektu.

K.G.: Moglibyśmy teraz drugą i trzecią godzinę o spintronice, i o splątaniu kwantowym itd. Przy innej okazji zresztą część tych tematów już w Radiu Naukowym się przewijała – zostawię wam oczywiście linki. A tymczasem bardzo dziękuję. Pan profesor Andrzej Wysmołek z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego gościł Radio Naukowe. Dziękuję bardzo.

A.W.: Dziękuję ślicznie za wizytę, pani redaktor, ale też chciałbym zaprosić wszystkich państwa na Wydział Fizyki. Wydział jest otwarty dla wszystkich. Jeżeli państwo chcą uczestniczyć w wykładach, Zapytaj Fizyka, ale też ze swoimi pociechami albo wnuczkami, albo przyjaciółmi zajrzeć na wykłady sobotnie, środowe – jesteśmy otwarci. Proszę zajrzeć na stronę – można zobaczyć ciekawe eksperymenty i czegoś ciekawego się dowiedzieć.

K.G.: Absolutnie. I dziękuję za zwrócenie na to uwagi, ja też zostawię w opisie linki do tych wszystkich zacnych wydarzeń. Bo prawda, ja muszę się wypowiedzieć jako dziennikarka, że fizyka uniwersytecka w Warszawie naprawdę bardzo prężnie działa, jeśli chodzi o sprawy popularyzacji. Tak że gratulacje dla was.

A.W.: Dziękuję ślicznie.

Dodane:
1,5 tys.

Gość odcinka

prof. Andrzej Wysmołek

prof. Andrzej Wysmołek

Profesor w Instytucie Fizyki Doświadczalnej na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Zainteresowania badawcze: fizyka ciała stałego, grafen i jego pochodne, właściwości optyczne półprzewodników, nanostruktury półprzewodnikowe.

Obserwuj Radio Naukowe

Ulubione

Skip to content