PORT

Záznam chatu z pátku 6. května 2011

Vlado: „můžete mi prosím napsat, jestli skrývá naše hmota ještě nějaké překvapení?“

Prof. RNDr. Tomáš Jungwirth, Ph.D.: „Doufám, jinak bychom se neměli na co ve vědecké práci těšit. Jaká překvapení ale nevím, kdybych to věděl, tak by to nebyla překvapení.“

K.L. Meziboří: „Jakou další kvantovou vlastnost je možné využít k miniaturizaci?“

Prof. RNDr. Tomáš Jungwirth, Ph.D.: „Je to spíše naopak, že jsme dosáhli takového stupně miniaturizace, kdy se vše začíná chovat kvantově a s klasickou fyzikou si vystačíme jen ve velmi omezené míře nebo vůbec. Když například z polovodiče vytvoříte mikrostrukturu (nanostrukturu) o rozměrech jen desítek nanometrů, tak se taková struktura jako celek chová jako kvantový objekt, jako takavý umělý atom. Takový objekt má např. kvantové diskrétní spektrum energií, čehož se může využít ke konstrukci polovodičových světelných diod nemo laserů různých barev podle velikosti nebo tvaru nanostruktury.“

Petr Blažíček: „Vážení pánové, vytvořili jste i jiný materiál pro spintroniku kromě grafenu? Díky za zprávu“

Prof. RNDr. Tomáš Jungwirth, Ph.D.: „Nepracujeme s grafenem, ale s různými směsnými polovodiči, magnetickými i nemagnetickými a s magnetickými kovy.“

Petra Černá: „Co myslíte, co by spintronické počítače mohly umět víc, než současné? Je váš výzkum drahý?“

Prof. RNDr. Tomáš Jungwirth, Ph.D.: „Naším cílem není ( a není to ani v našich možnostech) vyrábět nové komerční součástky nebo dokonce počítače nebo jiné přístroje. Snažíme se pochopit nebo najít nové fyzikalní jevy spojené s chovaním náboje a spinu elektronů v nanostrukturách pevných látek (zejména polovodičů). Naši práci určitě motivuje možnost, že by se tyto jevy v budoucnu mohly využít v mikroelektronice, ale toto komerční využití není naší specializací. Představujeme si, že by spintronika například mohla spojit v jednom mikročipu funkce, které dnes plní oddělené součásti počítačů jako je procesor, operační paměť a pevný disk. To by mohlo vést ke zmenšení počítače, menší energetické náročnosti atd. Obecně každý výzkum je drahý, protože používá nebo zhotovuje struktury, součástky nebo zařízení, která nejsou sériově vyráběná, ale jsou unikátní. Náš výzkum je nákladný i proto, že připravujeme nové materiály, z nich vyrábíme nanostruktury nebo nanosoučástky a ty pak zkoumáme řadou experimentálních metod. Rozpočet naší skupiny ve Fyzikálním ústavu Akademie věd je okolo 15 mil Kc rocne a neobešli bychom se bez spolupráce s dalšími skupinami v České republice a v zahraničí.“

Horáček: „Dobrý den. Jak velký je váš tým? Koik lidí s vámi spolupracuje v zahraničí? Děkuji za odpověď“

Prof. RNDr. Tomáš Jungwirth, Ph.D.: „Dobrý den, naše skupina ve Fyzikálním ústavu Akademie věd má okolo 25 lidí - vědeckých pracovníků, studentů a techniků. Spolupracujeme s několika dalšími skupinami ve Fyzikálním ústavu a na Karlově univerzitě. V zahraničí máme mnohaletou spolupráci s skupinami na univerzitě v Nottinghamu a Cambridge ve Velké Británii, na universitách v Texasu v USA a máme společné práce s řadou dalších laboratoří v Evropě, USA a Japonsku.“

Olga Č.: „Pane profesore, máte představu kam se může dastat váš obor tak za 50 let?“

Prof. RNDr. Tomáš Jungwirth, Ph.D.: „Byl bych rád, kdyby se spin elektronu používal v mikroelektronice se stejnou samozřejmostí jako elektrický naboj. Co ale bude slovo mikroelektronika za 50 let vlastně znamenat si neumím představit. Vždyť tranzistor samotný je známý jen nejakých 50 let a integrované obvody ještě méně.“

Jiří Holý, Náchod: „Za jak dlouho to budeme mít další součástky založené na spintronice? Jaké to budou?“

Prof. RNDr. Tomáš Jungwirth, Ph.D.: „Největší naději na široké uplatnění v relativně blízké době mají spintronické opreční paměti, tzv. MRAM. Ty se už komerčně vyrábějí od roku 2006, ale mají ve srovnání s polovodičovými operačními paměťmi malou kapacitu. Fyzikální princip, pomocí kterého by se dala zvýšit kapacita MRAM je známý a myslím, že je dobrá naděje, že bude v následujících nekolika letech implementován v komerčních součástkách.“

Jirka: „Otázka 2: Můžete prosím nějak lidsky vysvětlit, co je spin? Momenty hybnosti (http://cs.wikipedia.org/wiki/Spin) zrovna nejsou moc představitelné termíny.“

Prof. RNDr. Tomáš Jungwirth, Ph.D.: „Spin v angličtině znamená rotace a matematicky je spin elektronu skutčně popisován obdobně jako kdyby elektron rotoval kolem své osy. Je to ale jen matemeticka analogie, o skutečnou rotaci, tak jak ji známe z makrosvěta se nejedná. Jedná se o vnitřní vlastnost elektronu, podobně jako jeho náboj nebo hmotnost. Protože elektron je v rámci známé fyziky elementární, tedy dále nedělitelná částice, tak nevíme odkud se spin nebo náboj v elektronu bere. To nám ale nebrání tyto dvě vlastnosti elektronu využívat.“

Dan Hosnédl: „Dobrý den, představuji si SPIN jako jedinečnou variaci rotací různých směrů , délek a ůhlových rychlostí jednoznačně určující konkrétní částici, podobně jako je například sestava gymnastky nebo krasobluslaře. Máte prosím nějaké jiné "populárněvědecké" vysvětlení spinu pro laiky.“

Prof. RNDr. Tomáš Jungwirth, Ph.D.: „Spin se jen matematicky popisuje jako rotace, ale žádná jiná intutivní představa související s klasickým pohybem, tak jak ho známe z makrosvěta není asi užitečná k jeho pochopení. Je to vnitřní vlastnost elektronu, podobně jako jeho náboj nebo hmotnost. Protože nevíme, že by se elektron skládal z nějakých dalších elementárnějších částic, tak asi není v současné době možné lépe pochopit podstatu spinu. Asi nám nezbývá než jej přijmout jako experimentálně známou a matematicky uspokojivě popsanou vlastnost elektronu.“

Jirka: „Dobrý den. Rád bych věděl, kde berou elektrony svojí spinovou energii. Jak je možné, že se energeticky nevyčerpají, resp. svojí energii pro skákání v atomu neztrácejí.“

Prof. RNDr. Tomáš Jungwirth, Ph.D.: „Dobrý den, existence spinu není vyvolána pohybem elektronu, nebo-li jeho kinetickou energií. Je to jeho vnitřní vlatnost, podobně jako náboj nebo hmotnost. Elektron má vždy tendenci zaujmout polohu svého náboje a směr svého spinu tak, aby minimalizoval v rovnováze svou energii. Poloha náboje a směr spinu elektronu v rovnováze pak závisí na vnějších elektromagnetických polích. Nic tedy, co by vybočovalo ze známých fyzikálních zákonů“

Jirka: „Šlo by tedy definovat spin tím, jak se spin navenek projevu, tj. jak jej detekujete a vidíte? PS Měl jsem i dotaz na energii elektronu - kde ji berou, proč ji v průběhu času neztrácí?“

Prof. RNDr. Tomáš Jungwirth, Ph.D.: „Historicky to tak presně bylo - nejdříve bylo experimentální pozorování a poté se do známého kvantového popisu elektronu přidal "z venku" i popis této nově objevené vlastnosti. Jedním z největších prvních úspěchů relativistické kvantové fyziky pak bylo, že exitence spinu z ní přímo plyne a není treba ho tedy do teorie vkládat dodatečně. Tato relativistická kvantová teorie má další výhodu, že popisuje jak pohyb elektronu může ovlivňovat směr jeho spinu a naopak - to se nám dnes velmi hodí ve spinové elektronice.“

Jirka: „Takže pohyb elektronů v atomu se dá přirovnat ke golfovým míčkům v míse? - když je atom elmagneticky ovlivněn, ovlivní to i pohyb elektronů, stejně jako při pohybu mísy se pohnou míčky, dokud se opět nedostanou do rovnovážného stavu? Elektrony jsou tedy "pasivní" - samy od sebe se nepohybují, jen reagují?“

Prof. RNDr. Tomáš Jungwirth, Ph.D.: „Dá se to takto představit. Ale s tím pasivní bych byl opatrný, protože elektromagnetické pole nevyvolává nic jiného než elektrony samotné (nebo jiné nabité částice). Abychom si problém zjednodušili, tak se můžeme dívat na pohyb jednoho elektronu v elektromagnetickém poli ostatních elektronů (a dalších nabitých částic). Je to ale jen přibližný a v některých případech i velmi nepřesný popis. Správně bychom měli popsat všecny vzajemně spolu interagující elektrony najednou, ale to z dnešními počítači jde jen řádově s desítkami elektronů, víc zatím nezvládneme.“

Jirka: „A jak tedy adresně zaznamenáváte spin? Mám na mysli, vidíte ho nějak v elektr. mikroskopu? Jak se to tedy adresně projevuje, tj. chtěl bych přesně vidět popsánu tu situaci, kdy odhlédnete od zařízení (jakého?) a řeknete si "á, tak tohle je spin XY, protože jsme právě viděli to a to...".“

Prof. RNDr. Tomáš Jungwirth, Ph.D.: „Když si vezmete domácí magnet a ten se vám přilepí k ledničce, tak jste učinil experimentální pozorování spinu. Vlastnost spinu elektronu totiž sebou nese i to, že elektron je mikroskopický (elementární) magnet. To že jste schopen pozorovat spin doma na ledničce je způsobeno tím, že jste použil magnetický materiál, ve kterém se spiny všech (nebo alespoň mnoha) elektronů mají tendenci orientovat stejným směrem a efekty spojené se spinem jsou tak velmi zesílené. Vědci mají k dispozici celou řadu metod, kterými jsou schopni detekovat spiny až na tu nejmenší úroveň jednoho spinu jednoho elektronu.“

Jirka: „Co je pravdy na tom, že bylo viděno rozdělení elektronu (elektron sám již viděn byl - viz. http://www.vtpo.cz/inovacni-portal/succes-stories-detail/elektron-poprve-nafilmovan/)? A mám dojem, že jsem kdysi viděl u někoho v metru číst Vaši knihu. Nepamatuji si název, ale vypadalo to jako populárně naučná četba á la S.Hawking. Je to možné? Případně, jak se ta kniha jmenuje?“

Prof. RNDr. Tomáš Jungwirth, Ph.D.: „V mikro (nano) světě se spin neprojevuje jako bodová částice klasické fyziky, ale má vlnový charakter. Tyto vlny nebo oblaka elektronového náboje je možné "pozorovat" napříkad skenovacími tunelovacími mikroskopy. Populární knížku jsem nenapsal.“

Jirka: „S tím magnetem na ledničce: to jsem si myslel, že je projevem vlastnosti NÁBOJE, nikoliv SPINu.“

Prof. RNDr. Tomáš Jungwirth, Ph.D.: „Spin a náboj dohromady vytváří magnetický moment a tento magnetický moment je zodpovědný za magnetizmus látek. Pohybující se náboj elektronu může budit magnetický moment i bez spinu, ale tento příspěvek je většinou slabý. Magnetický moment díky spinu hraje dominantní roli v magnetizmu.“

Jirka: „Tak už jsem to dělení elektronu našel - Uni Cambridge - http://www.tgdaily.com/general-sciences-features/43455-physicists-split-the-electron. Rozdělené části se nazývají spinon a holon.“

Prof. RNDr. Tomáš Jungwirth, Ph.D.: „Tady se nejedna o deleni jedne skutecne elementarni castice, jednoho elektronu, na jeste mensi skutecne elementarni castice spinon a holon. Jedna se o takzvane kvazicastice, coz neni nic jineho nez zjednoduseni popisu chovani mnoha interagujicich skutecnych castic (elektronu) na chovani fiktivnich kvazicastic, ktere mezi sebou neinteraguji nebo interaguji jen slabe. V teto praci provadeli experiment s mnoha silne interagujicimi elektrony a vysledek experimentu bylo mozne popsat pomoci neinteragujicich spinonu a holonu. Je to ale jen zjednoduseni ( a mozna zatraktivneni) interpretace experimentu. Kdyby experiment provedli s jednim elektronem, tak by nic takoveho nepozorovali, cili o skutecnou vnitrni strukturu elektronu se nejedna.“

Jirka: „Poslední moje otázka: Jak obtížné (mentálně a vůbec) je dělat PhD venku? A díky za odpovědi.“

Prof. RNDr. Tomáš Jungwirth, Ph.D.: „Na to asi neni mozne dat obecnou odpoved. V prvni rade zalezi na tom u koho byste v Cesku nebo v zahranici PhD studoval. Pokud dobre studujete nebo jste vystudoval Matfyz na Karlove univerzite, tak z odborneho hledika byste nemel mit problem s PhD. studiem celkem kdekoli na svete. (S jinymi VS v Cesku nemam zkusenosti) Ja jsem pul sve PhD prace uz delal v USA a pak tam stravil jeste nekolik let a byla to neocenitelna zkusenost. Pokud budete delat PhD v Cesku a chtel byste zustat u vedy, tak potom postdoca byste si urcite mel (podle me musel) hledat v zahranici. Ja dekuji za otazky....“