Alchymie kvantové budoucnosti. Jak propojit tři odlišné světy?

Vývoj nových materiálů se trochu podobá práci v kuchyni. Vědci míchají atomy, vaří krystaly a pečou vrstvy. Výsledkem pak můžou být unikátní látky kombinující výhody polovodičů, supravodičů a magnetů. Jak s nimi experimentuje Filip Křížek z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR, prozradil v nejnovějším čísle A / Magazínu.

Přístroj, který slouží jako supervýkonný „vařič“ futuristických součástek, zabírá celou místnost historického areálu někdejšího Výzkumného ústavu cukrovarnického. V budově v pražských Střešovicích už více než sedm desítek let nepracují odborníci na úpravu cukru, nýbrž vědci Fyzikálního ústavu AV ČR. Že by se snad duch potravinářské minulosti stále vznášel nad chodbami instituce a inspiroval její současné rezidenty ke kulinářským příměrům?

Duchařinu nechme stranou, důvod leží jinde. Nové materiály se vyvíjejí tak, že se skládají různé příměsi v určitém poměru, změní se tlak a teplota a ingredience se přetvářejí v novou látku. „Vařím rád, většinou se neřídím receptem, raději experimentuju a nechám se vést intuicí, doma v kuchyni i při činnosti v laboratoři,“ usmívá se mladý badatel Filip Křížek z Fyzikálního ústavu AV ČR.

Filip Křížek z Fyzikálního ústavu AV ČR

Velká část jeho práce se odehrává v laboratoři molekulární svazkové epitaxe (MBE). A právě aparatura MBE se dá s hodně velkou fantazií připodobnit k obřímu vakuovému hrnci. Sestává z vývěv sloužících k odčerpávání vzduchu, vakuových měřidel a komor oddělených ventily – nebo taky laicky řečeno z mnoha různých trubek a hadiček. V ultračistém prostředí vakua se v něm na krystalický podklad nanášejí jednotlivé atomy rozličných prvků. Proces probíhá velmi pomalu a výsledkem jsou vrstvy silné jen několik nanometrů – tedy miliardtin metru.

Spojit tři světy
„Někdy s nadsázkou říkám, že jsem alchymista. Růst krystalů se dá sice simulovat, ale není to tak snadné. Skutečný proces je totiž omezený technickou kapacitou aparatury. Je proto dobré řídit se i pocitem. Čím déle tu práci děláte, tím lépe víte, jaké poměry a parametry vyzkoušet,“ vysvětluje fyzik.

Při doktorském studiu v Institutu Nielse Bohra na Kodaňské univerzitě se podílel na vývoji nanodrátů z polovodičů a supravodičů. Pražské oddělení v Akademii věd ČR, v němž působí nyní, se zase dlouhodobě zaměřuje na prozkoumávání magnetismu – feromagnetů (klasické magnetické látky), antiferomagnetů (nechovají se jako magnety, i když jsou uvnitř magneticky uspořádané) a altermagnetů (kombinují výhody obou předchozích fází).

Zdálo se tedy přirozené, aby zkušenosti z Kodaně a Prahy propojil a zkusil rozdílné světy polovodičů, supravodičů a magnetů skloubit dohromady. Problém je totiž v tom, že každá z těchto tří „realit“ má úplně jiné fyzikální nároky a vzájemně se ruší. Například zcela jinak snášejí různé teploty. Polovodiče si lidé spojují s provozem při pokojové teplotě, zatímco supravodiče pracují jen v extrémním chladu, velmi blízko absolutní nuly (několik kelvinů nad hodnotou 0). Silné magnetické pole zase ničí supravodivost a může narušit funkčnost polovodičů.

Polovodiče se běžně využívají v současné elektronice. Základními zástupci jsou křemík nebo germanium. Částečně vedou elektrický proud, přičemž vodivost se dá řídit například teplem. Supravodiče nemají žádný elektrický odpor ani ztrátu energie, jenže fungují jen ve specifickém prostředí blízko absolutní nuly. Příkladem jsou olovo či hliník.

Kombinování látek s vlastnostmi polovodičů, supravodičů a magnetů je možné, ale velmi technologicky náročné. Když se podaří těžkosti překonat a tyto světy funkčně propojit, může to pomoci k vývoji výkonných kvantových počítačů, úspornější a rychlejší elektroniky, nových typů čipů a dokonalejších senzorů.

Pomalé vaření
Základní polovodičovou surovinou v laboratoři v Cukrovarnické jsou arsenidy, a to inditý, hlinitý nebo gallitý. V praxi se využívají v elektronice, kde umožňují velmi přesně řídit tok elektronů. Pro účely experimentů vědci objednávají už hotové krystaly nakrájené na ultrajemné plátky. Kupují velmi kvalitní kousky, ale přesto je musejí ještě pročistit a někdy nechat dále narůst, aby získali ideální polotovar.

Plátky čistého materiálu fyzici následně umístí do přístroje (onoho obřího vařiče), ve kterém se nachází několik cel (pomyslných pecí). Do nich se přidají látky, které chtějí výzkumníci v experimentu zkombinovat s podkladovým substrátem. Jako supravodič vybírají obvykle hliník a z magnetických látek sahají ideálně po různých antiferomagnetech a altermagnetech.

Aparatura molekulární svazkové epitaxe sestává z několika typů vývěv a oddělených komor.

Typickou přísadou tak může být sloučenina mědi, manganu a arsenu (CuMnAs) – antiferomagnet, který má unikátní vlastnosti pro elektroniku budoucnosti, takzvanou spintroniku. „Přestože se většinou magnety a supravodiče nemají rády, v téhle konkrétní kombinaci materiálů jsme schopni supravodivosti dosáhnout,“ říká Filip Křížek.

Podstatou práce týmu je experimentování s různými podobami daných kombinací. „Můžeme v původní sloučenině nahradit měď manganem a získat sloučeninu manganu s arsenem. Nebo místo mědi použít železo a vytvořit materiál složený ze železa, manganu a arsenu. A pokud mangan úplně nahradíme železem, vznikne sloučenina železa s arsenem,“ doplňuje fyzik.

Jaký produkt se přesně uvaří, záleží na mnoha podmínkách, jednou z nich je i rychlost přípravy. Jednotlivé atomy se na krystalický podklad nanášejí velmi pozvolna. Tak pomalu, aby měly čas najít si ideální místo v krystalové mřížce a zapadnout přesně tam, kam mají. Celý proces probíhá v ultravysokém vakuu, aby se nic nekontrolovaně neusazovalo na povrchu.

Parťáci do týmu
Výsledný „sendvič“ – tedy nanomateriál o několika vrstvách – vzniká kompletně v jednom přístroji. Růst jedné vrstvy o tloušťce 20 nanometrů může u některých látek trvat zhruba hodinu. U jiných je naopak třeba čekat na desetinanometrovou vrstvičku tři i čtyři hodiny. Nejsložitější struktury běží výjimečně přes noc.

Růst jedné vrstvy o tloušťce 20 nanometrů může u některých látek trvat zhruba hodinu.

Experimentů s různými kombinacemi materiálů se dá v laboratoři Filipa Křížka provést průměrně 200 až 230 za rok, záleží ale na počtu spolupracovníků. A právě ty plánuje přibrat. Jeho tým postupně doplňují postdoktorandi, doktorandi, magisterští i bakalářští studenti. „Už se těším, až nás bude víc, protože je poměrně drahé naši aparaturu chladit, ohřívat a zase chladit, ideální je, aby se zastavovala jen o víkendu,“ dodává vědec.

Rozšíření týmu teď bude možné díky finanční prémii od Akademie věd ČR Lumina quaeruntur, kterou Filip Křížek obdržel v minulém roce. Část peněz využije také na pořízení kryostatu, jenž umí dosáhnout teploty až 50 milikelvinů, a umožní tak se supravodiči a magnety efektivně pracovat.

„Jakmile pořídíme kryostat, budeme mít spolu s molekulární svazkovou epitaxí, litografií a charakterizačními metodami vše potřebné pro výrobu a kalibraci součástek. Ty pak můžeme sdílet s partnerskými laboratořemi a ponořit se hluboko do sledování fyziky v našich materiálech,“ plánuje badatel.

Vyhlídky do budoucna
Filip Křížek se vždycky trochu ošívá, když se ho někdo ptá na konkrétní uplatnění jeho objevů. Zabývá se v první řadě základním výzkumem, tedy studiem vlastností nových materiálů, které by někdy v budoucnu mohly být využitelné v supravodivých obvodech, různých typech senzorů i v kvantových technologiích. Z jeho „kuchyně“ tak neodcházejí hotové součástky, připravené k přímému průmyslovému využití.

Jde ale o poměrně perspektivní obor a výsledky pražské MBE laboratoře můžou přispět mimo jiné k rozvoji nových kvantových technologií. Ostatně Filip Křížek s tím má zkušenosti z dánského doktorátu, když působil ve skupině napojené na Microsoft a podílel se na zdokonalování materiálů pro topologické kvantové počítání.

S odborníky ze zahraničních institucí udržuje kontakty a pracuje s nimi na několika projektech. „Kolegové z Dánska mají spoustu nápadů, co by s novými materiály mohli dělat v rámci kvantového transportu, takže doufám, že se nám je podaří připravit a posunout dál,“ uvádí příklad fyzik.

Plánuje, že se také pořádně podívá na problematiku magnetických polovodičů. Vědci z Fyzikálního ústavu AV ČR včetně vedoucího oddělení Tomáše Jungwirtha se jim věnovali mnoho let. Vypadaly perspektivně – šlo o polovodiče, do kterých se přidal mangan a ony získaly magnetické vlastnosti. Potíž spočívala v tom, že byly extrémně citlivé na teplotu a rychle o své schopnosti přicházely. Celý výzkum se před lety zastavil a nabral jiný směr. Filip Křížek má teď ambici tuto opomenutou větev oprášit a znovu se na ni podívat novýma očima.

Dnes jsou totiž k dispozici kryogenní supravodivé obvody, které přirozeně pracují při teplotách pod jedním kelvinem, a přitom polovodiče obohacené manganem zůstávají magnetické. „Chtěl bych ukázat, že to je cesta, jak dostat technologie magnetismu do supravodivých obvodů. Mám potřebnou aparaturu a kolem sebe v oddělení lidi, kteří o tématu vědí snad úplně všechno,“ podotýká.

Přestože původně vůbec fyzikem být nechtěl, experimentování v laboratorní kuchyni ho baví a naplňuje. Nejlepší podle jeho slov je, když může pracovat na materiálu, pro který má někdo zajímavou vizi a jeho laboratoř mu ji pomůže realizovat. „Materiálovou fyziku jsem si vybral i proto, že si u ní můžu hodně věcí vyzkoušet, být kreativní a řídit se intuicí. Vlastně je to opravdu podobné jako vaření nebo alchymie,“ usmívá se fyzik.

Článek vyšel pod názvem Alchymie kvantové budoucnosti v A / Magazínu 1/2026:

1/2026 (verze k listování)
1/2026 (verze ke stažení)

Čtvrtletník A / Magazín vydává Akademie věd ČR. Výtisky zasíláme zdarma všem zájemcům. Kontaktovat nás můžete na adrese predplatne@ssc.cas.cz.

Text: Leona Matušková, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Pavlína Černoch Jáchimová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR

Text a všechny fotografie jsou uvolněny pod svobodnou licencí Creative Commons. 

Přečtěte si také

• V éře AI se falešná fotka pozná jen těžko, říká expertka na obrazové informace
• Mají lidé důvěru v roboty? Svěřili by jim péči o děti či dávkování léků?
• Když auta létají a kulky zatáčejí aneb Fyzikální chyby ve filmech
• Míří k Zemi asteroid? Riziko je malé, ale hlídáme to, říká astronom
• Světelný paprsek jako kovář, který prodlužuje životnost součástek
• Podpora obnovitelných zdrojů je investicí do bezpečnosti, tvrdí evropští vědci
• Nový rekord nepolapitelného neutrina: váží milionkrát méně než elektron
• Žádné dítě není k zahození, říká mladý vědec se zkušenostmi z „Autistánu“
• Světlo jako pomocník při výrobě povrchů inspirovaných přírodou
• Jak dlouho trvá „rok“ na exoplanetách? Doba oběhu zdánlivě kolísá v řádu dní