Prof. Spałek: w fizyce czekają nas odkrycia na miarę elektryczności
Komputery kwantowe, w szczególności nienagrzewające się jego urządzenia, czy też prąd płynący w liniach przesyłowych bez strat, to przykłady zastosowania nadprzewodników wysokotemperaturowych, nie mówiąc o nowych typach tomografów komputerowych czy ultraszybkich pociągów na poduszce magnetycznej.
PAP: Czym są niekonwencjonalne nadprzewodniki?
Prof. Józef Spałek: Materia kwantowa to specyficzny układ bardzo wielu cząstek kwantowych, które kondensują. Oznacza to, że w takim układzie wielocząstkowym pojawiają się nowe cechy w stosunku do tych, które byśmy w nich widzieli jako w zbiorze indywiduów. Podobnie pojedynczy człowiek nie jest tym samym, czym jest społeczeństwo. Wśród takich nowych zjawisk obecna jest zdolność elektronów do łączenia się w pary. To właśnie taki koherentny ruch par przewodzi prąd elektryczny bez oporu. Mówimy wtedy o nadprzewodnictwie. Dzięki niemu energia może płynąć w liniach przesyłowych praktycznie bez strat, a urządzenia elektroniczne nie wydzielają ciepła, o ile nie są to urządzenia pracujące w obszarze wysokich częstotliwości. Nadprzewodnictwo niekonwencjonalne występuje w materiałach, w których pod wpływem czynników zewnętrznych przekształcamy izolator magnetyczny w metal o bardzo nietypowych własnościach. Mówimy wtedy o metalu ze skorelowanymi elektronami lub ich parami.
PAP: Na czy polega Pana teoria określana symbolami t-J?
JS: Otóż w pewnych warunkach atomy rozdzielają się na dodatnie jony tworzące sieć i prawie swobodne elektrony. Elektrony podróżują po całym układzie – czy jest to ciało stałe, plazma, czy inny kondensat. I w określonych warunkach łączą się w pary. To zaskakujące, bo przecież elektrony mają ładunki tego samego znaku, powinny się więc odpychać, jak wiemy ze szkoły. Jeśli zatem podróżują parami, to musi istnieć jakiś inny, dodatkowy mechanizm powodujący, że łączą się w pary. Okazuje się, że elektrony w tych nowych układach wcale nie muszą się dodatkowo przyciągać; wystarczy skorelowany ruch par nawet silnie odpychających się lokalnie elektronów. I to jest właśnie teoria, która opiera się o zaproponowany przez mnie tzw. model t-J, do której chciałbym wnieść z moim zespołem zasadniczy wkład.
PAP: Dzięki ustaleniu zasad łączenia się elektronów w pary można zastosować te nowe zjawiska np. w liniach przesyłowych. Czy już się to stosuje?
JS: Gdyby nadprzewodnictwo zachodziło w temperaturze pokojowej, to - nie budując żadnej nowej elektrowni, tylko konstruując linie przesyłowe z nowych materiałów - świat zyskałby co najmniej jedną trzecią energii elektrycznej, jaką tracimy dziś przy jej przesyłaniu i dlatego, że tranzystory i inne urządzenia elektroniczne, w tym komputery, nagrzewają się podczas pracy. Moglibyśmy zmniejszać procesory i przypisywać im nowe funkcje w oparciu o nowe zjawiska kwantowe, jak np. zjawisko Josephsona, czyli specyficzny transport par elektronowych poprzez nanozłącza czy inne urządzenia elektroniki kwantowej.
Niestety, za wcześnie na zastosowania w takiej temperaturze, bo odkryte na razie nadprzewodnictwo występuje w niższych temperaturach. Najpierw odkryto, że elektrony łączą się w pary i przewodzą bez oporu w najniższych temperaturach helowych, (-270 stopni C!). Ok. 30 lat temu zaobserwowano to zjawisko w temperaturze ciekłego azotu, -200 stopni C, co zmniejszyło koszt badań kilkukrotnie. Ostatnio wykryto nadprzewodnictwo pod wysokimi ciśnieniami w temperaturze powyżej -70 stopni C. Jeszcze nam brakuje do temperatury pokojowej ok. 100. stopni. Przekładając to na język praktyki - nie można jeszcze przesyłać bez strat energii elektrycznej nawet w warunkach syberyjskich, bo tam jest "zaledwie" minus 50 stopni Celsjusza, a potrzeba byłoby jeszcze ochłodzić układ o dodatkowe o 30-50 stopni, żeby te materiały działały sprawnie.
PAP: Czy można spowodować, że nadprzewodnictwo będzie zachodziło w temperaturze pokojowej?
JS: Fizycy teoretycy, którzy nad tym pracują, wierzą że tak; wierzę, że jeszcze za mojego życia będzie odkryte nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej. Potrzeba nam zrozumienia mechanizmu obecnego nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego, żeby móc wiedzieć, czy i jak da się nim sterować. Nie ma bowiem nic bardziej praktycznego, niż dobra, sprawdzalna teoria, przynajmniej tak jest w fizyce - i tym samym w kwantowej inżynierii materiałowej. Oczywiście fizycy doświadczalni nie zasypiają gruszek w popiele, i to do nich będzie należało ostatnie słowo. Szkoda, że badania nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego, w odróżnieniu od badań półprzewodników, są u nas znacznie mniej popularne. A wydają się być równie przyszłościowe, nie mówiąc już o ich wielkim znaczeniu dla całej fizyki.
Jeśli uda się odkryć nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej - będzie to nieprawdopodobny przełom w kwantowej inżynierii materiałowej i technologii, porównywalny do tego, jakim było wynalezienie elektryczności czy zbudowanie komputera. Tyle tylko, że będzie to już technologia kwantowa. Prawa kwantowe dają możliwości nowych zastosowań. Np. można otrzymać piękne mapy mózgu w oparciu o efekt Josephsona (specjalne "hełmy" zakładane na głowę badanego). Skonstruowane zostały już również pierwsze tomografy operujące na magnesach nadprzewodzących w temperaturach azotowych.
Spójrzmy jeszcze raz na energetykę. Rosjanie produkują dużą część swojej energii na wielkich rzekach - Obie, Irtyszu czy Jenisieju, a energię przesyłają do europejskiej części kraju. Ponad 40 proc. tej energii jest tracone przy transporcie. Gdyby w układach przesyłowych nie dochodziło do takich strat - możemy sobie wyobrazić, jak dobre byłoby to dla środowiska, i ile energii zachowalibyśmy. I nie potrzeba byłoby budować nowych elektrowni jądrowych, przynajmniej przez jakiś czas.
PAP: Czyli nie jest to fikcja naukowa?
JS: W świecie nauki na jednym poziomie piszemy prace, na drugim prowadzimy obliczenia i czytamy literaturę fachową, a jeszcze na trzecim poziomie... marzymy, kiedy już wychodzimy z laboratorium i zdejmujemy fartuch czy wyłączamy komputer. Trzydzieści lat temu wynaleziono nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe, rok później przyznano za to Nagrodę Nobla. Na początku nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe odkryto w bardzo niskiej temperaturze, -240 st. C. W następnym roku dokonał się ogromny postęp i nadprzewodnictwo znaleziono już w temperaturze prawie o 70 stopni wyższej, czyli powyżej temperatury ciekłego azotu. W ostatnim roku uzyskano nadprzewodnictwo w -70 stopniach. Problem w tym, że to ostatnie zjawisko zachodzi pod bardzo dużymi ciśnieniami i nie na razie da się go wykorzystać w praktyce. Mimo to dla naukowców fascynujący jest sam fakt, że dało się je podnieść do takiej stosunkowo wysokiej temperatury. Pozostał nam tylko trzeci krok, czyli stabilne nadprzewodnictwo bez sił z zewnątrz. Kiedy on nastąpi? Nie wiadomo. Może to być niedługo, a może dopiero za 10-15 lat?
PAP: Jakie jeszcze zastosowania może mieć nadprzewodnictwo?
JS: Po pierwsze, podniesienie temperatury przejścia w stan nadprzewodzący w materiałach organicznych i ich wykorzystanie technologiczne.
Nadprzewodnictwo występuje także w skali astrofizycznej. Np. uważa się, że jądra wielkich planet, np. Jowisza - jako potężnej kuli wodorowej, jest nadprzewodzące. Efekty parowania występują też między nukleonami w jądrze atomowym i gwiazdach neutronowych. Co więcej, postulowana plazma kwarkowo-gluonowa, jako stan skondensowany cząstek elementarnych przy skrajnie wysokich energiach i gęstościach, powinna być nadprzewodząca. Jednocześnie stany sparowane atomów występują w zimnych gazach w skrajnie niskich temperaturach (rzędu nanokelwinów). Tak więc nadprzewodnictwo jest nie tylko zjawiskiem idealnej kondensacji w naszej skali, ale występuje na wszystkich skalach energii (i temperatur) w przyrodzie, tj. w ultra-wysokich i ultra-niskich temperaturach. Tutaj na myśl przychodzi mi koncepcja Stanisława Lema z "Solaris" o myślącym oceanie. Uruchamiając fantazję, można sobie wyobrazić, iż taki jego ocean byłby zbudowany na elementach nadprzewodzących. Wtedy taki "mózg" mógłby działać w skrajnie niskich temperaturach.
Są też pewne koncepcje dotyczące mózgu mówiące, że pamięć może być związana z podobnym stanem skondensowanym choć to chyba, przynajmniej na razie, teoretyczna fantazja. Już 40 lat temu naukowcy zastanawiali się, dlaczego istnieje niezlokalizowana pamięć stała. Szukano wyjaśnienia dla zjawisk zachodzących po przecięciu spoiwa mózgu, kiedy to druga połowa przejmuje pewne funkcje pierwszej. Logika wskazywałaby, że najbardziej skomplikowane, skojarzeniowe funkcje są rozmyte na całość układu. Taka jest też właściwość stanu skondensowanego: każda część może mówić o całości.
PAP: Co będą mogły nam zaoferować nowe urządzenia kwantowe?
JS: Będziemy zużywać mniej energii, a w tranzystorach upakujemy więcej procesorów, bo nie będą się one wzajemnie nagrzewały i mniej wzajemnie zaburzały. Marzeniem związanym z nadprzewodnictwem są komputery kwantowe. Jeszcze nie wiemy, jak zrobić takie komputery, bo nie mamy teorii mówiącej o tym, jak działa nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe. Komputery kwantowe to zupełnie nowe możliwości obliczeń. W pewnym sensie będzie to sztuczna inteligencja czy przynajmniej zdolność obliczeń o niezwykłym stopniu złożoności. Taki przeskok, jak się dokonał między liczydłem a komputerem.
PAP: Łatwo robi się rewolucje w nauce?
JS: Bardzo trudno, ale to się dzieje w naszych czasach. Prawa Newtona sformułowano w 1687 r., czyli prawie 350 lat temu. Samoloty zaczęły latać na skalę masową prawie 300 lat później. I choć jestem fizykiem, niezmienne zadziwia mnie fakt, że taka wielka ciężka maszyna leci w rozrzedzonym powietrzu i z taką precyzją. Pierwsze nadprzewodnictwo wykryto w 1911 roku w Lejdzie w Holandii, ale pierwszą dobrą teorię wyjaśniającą je stworzono w 1957 roku, 45 lat później! I tak jest też teraz - od 30 lat się zmagamy, aby wytłumaczyć nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe, bo na pewno nie jest to nadprzewodnictwo już znane. Ostatnie nasze własne wyniki są bardzo obiecujące. Ale żeby się przebić z czymś nowym w tej dziedzinie, trzeba o to bardzo mocno walczyć.
Fizycy są niesamowicie inteligentni, ale i bardzo konserwatywni. Bardzo pilnują tego, żeby te teorie, które się przebiją, były na wszelkie sposoby sprawdzone. Człowiek chciałby głosić swoje odkrycia, ale jeśli nie ma się przekonującego dowodu - to nie ma szans. A nawet wtedy, gdy są (dowody - PAP), też są problemy. To żmudny, powolny proces, w którym naukowcy - podobnie jak artyści - muszą przekraczać granice znanego. Zastanawiamy się, jak stworzyć zręby teorii, a potem sformułować ją według zasad matematycznych. Most trzeba najpierw wymyślić, a potem go budować. Fizycy wychodzą poza schematy i budują z klocków, podobnie jak niegdyś architekci w XII w, którzy budowali katedry, nie znając praw Newtona. Wiele katedr i łuków się zawaliło, ale inne przetrwały i dają świadectwo, że trzeba szukać, czasami po omacku, zwłaszcza, jeśli zjawisko jest natury fundamentalnej, tj. posiada znaczenia nie tylko dla jednej specjalności, ale dla całości fizyki.
PAP: Z czym wiąże się dla Pana Nagroda Fundacji na rzecz Nauki Polskiej?
JS: To jest wyróżnienie dla 40. lat mozolnej pracy. Mój promotor, profesor Janusz Morkowski z PAN z Poznania mówił, że kiedy próżny człowiek dostanie jakieś wyróżnienie, to się z nim obnosi, natomiast jak dostanie je człowiek taki, jak trzeba - to tym większą czuje pokorę. Jest to oczywiście doświadczenie bardzo miłe, bo oznacza, iż pomimo wielu różnych trudności obrana droga była słuszna. Talent czy zdolności pochodzą od matki, ojca, czy – jak ktoś wierzy – od Boga. Do nas należy praca. Bowiem, "wiele oczekuje się od tych, którym wiele dano".
Jestem synem leśniczego z Górnego Śląska. Czy musiałem pracować trochę więcej niż inni? Nie wiem.
Nagroda jest też dla mnie przede wszystkim motywacją do dalszej pracy, która wymaga silnej koncentracji i systematyczności. Wypromowałem już 22. doktorów, a teraz chciałbym poprawnie opisać nadprzewodnictwo w naszym modelu. Napisałem w tej tematyce podręcznik, teraz piszę monografię, żeby przekonać ludzi, że to podejście do problemu jest dobre. Mam też pewne nowe pomysły. Jak powiedział Andrzej Wajda, najciekawsze są niezrealizowane filmy, nienapisane książki. Ta Nagroda jest też darem od Podatnika. Cieszę się, że mam możliwość wypowiedzenia się, wytłumaczenia ludziom, na czym polega moja praca i jakie wiążę z nią nadzieje. Słowem – chciałbym przekonać podatników, żeby jednak kochali swoich profesorów.
Fizyka jest trudna, jest zamkniętym światem, którym nikt z zewnątrz na co dzień się nie interesuje. Dopiero jak odnosimy jakiś sukces lub dostajemy nagrodę, ludzie mają okazję dowiedzieć się, czego dotyczy nasza praca i że mamy coś ciekawego do powiedzenia. Żeby tylko dalej sił starczyło.
Dziękuję za rozmowę.
