Jaká byla vaše cesta k fyzice?
O směru, kterým se ubírám, u mě rozhodli výborní učitelé matematiky a fyziky na střední škole. Trochu jsem váhal, ale nakonec vyhrála fyzika. To, že nepůjdu do praxe, jsem myslím věděl od začátku. Samozřejmě jsem do toho šel bez dostatečných informací. Údělem mladých lidí je na základě velmi neúplných informací učinit vážné rozhodnutí, jak život prožít.
Na Přírodovědecké fakultě jste vystřídal mnoho pozic. Čím bylo toto Vaše „cestování“ způsobeno?
Má profesní dráha nemohla být přímá, neměl jsem správné kádrové vybavení. Posouvali mě z pozice na pozici. Nebyla to snadná kariéra člověka, kterému je povoleno dělat, k čemu je kvalifikován. Mé působení na fakultě tak až do roku 1989 bylo takovým přežíváním, pak se to radikálně změnilo. Na druhou stranu jsem se po celou tuto dobu mohl v podstatě věnovat výzkumu, pouze v provizornějších podmínkách.
Žijete ve světě exaktní vědy. Bavilo vás někdy fantasy nebo sci-fi?
Pouze trochu. Příliš silně si uvědomuji, jak je to daleko od skutečného poznávání.
Četl jste jako kluk Julesa Verna? Ptám se, protože mě zajímá, zda věda potřebuje podobné vizionáře předpovídající ponorky či rakety.
Verna jsem jako malý kluk četl. Skutečné směřování vědy vzniká někde jinde. Existují sice velicí vizionáři, ti ale nepíší sci-fi, a to, co se v takové literatuře objeví, ovlivňuje výzkum jen velmi okrajově.
Takovým vizionářem v oblasti nanotechnologií se na konci padesátých let minulého století stal americký fyzik Richard Feynman.
Profesor Feynman jistě vizionářem byl, především však byl vědcem. Stal se spoluzakladatelem kvantové mechaniky, tedy jednoho ze dvou pilířů současné fyziky. Feynman opravdu prezentoval jisté vize o nanotechnologiích, ale to již měl za sebou kariéru v opravdové vědě. Zpětně se možná zdá, že slavný Feynmanův referát odstartoval překotný rozvoj nanotechnologií. Je však potřeba jisté opatrnosti v posuzování dopadů jeho slov, vývoj potřebný k manipulaci s předměty nanometrových rozměrů trval mnohem déle.
Co je podle vás největší objev fyziky dvacátého století?
Současná fyzika stojí na dvou pilířích. Tím prvním je teorie relativity, spojená s osobností Alberta Einsteina. Pak je tu kolektivní dílo většího počtu lidí, mezi nejmladší z nich patří i zmíněný profesor Feynman, totiž kvantová fyzika.
Moderní věda se zabývá jevy, které si laik dokáže těžko představit a pochopit. Vědci na jedné straně zkoumají možnosti genů či nanočástic, na druhé straně zaměřují své teleskopy do dalekých oblastí vesmíru. Jakým způsobem by dnes měla být věda popularizována, aby jí rozuměl i laik?
Přijmout fakt, že se Hubbleův teleskop „dívá“ na samý kraj vesmíru, představovat si tyto obrovské rozměry je myslím snazší. Lidé jsou zvyklí vzhlížet ke hvězdám. Komplikovanější jsou asi představy o extrémně malých předmětech, to souvisí s jejich kvantovým chováním. Ale ani to nemusí být tak nepochopitelné, když je popularizace dobře připravená. Já si myslím, že to vcelku schůdné je. Samozřejmě s určitým zjednodušením a nebezpečím, že vám opravdoví odborníci řeknou, že takhle už to nejde. Je potřeba najít hranici, kdy ještě mluvíte „rozumně“ před lidmi, kteří tomu rozumějí, a kdy je to zároveň srozumitelné pro laické posluchače. Taková hranice podle mne existuje u všeho, není však snadné ji najít a neposunout se na tu stranu příliš odbornou, která je pro přenášejícího samozřejmě mnohem pohodlnější, nebo naopak nesklouznout k přílišnému zjednodušení.
Nedaří se nám to příliš dobře. Zájemců o fyziku není mnoho. Jak jsem již říkal, mladý člověk se rozhoduje na základě velmi neúplných informací. Chceme proto studentům ukázat přitažlivé věci, kterými se zabýváme. Zároveň jim přiznáváme, že cesta k porozumění těmto jevům není příliš jednoduchá, student musí projít obvyklým drilem, aby pak mohl například zacházet s moderními přístroji. Musí hodně číst, vyhledávat články a sledovat, co dělají ostatní výzkumná centra. Přibrat mladého člověka do výzkumu znamená především výchovu v tomto duchu. Nelze jen tak jednoduše přijít do naší laboratoře a začít si hrát s mikroskopem atomové síly či s nějakou luminiscenční aparaturou.
Mají české univerzity dostatek prostoru a vhodné podmínky k vedení vlastních výzkumných projektů? V Loschmidtových laboratořích při PřF říkali, že je vlastně jejich výhodou, že jsou malou a chudou laboratoří. Mají-li problém, musí jeho řešení vymyslet, nikoli strávit několik let drahými pokusy jako v dobře situovaných zahraničních výzkumných centrech.
Tohle nebude úplně univerzální pravidlo, skoro bych si přál, abychom ho nemuseli moc důsledně používat. (směje se) Oni určitě nejsou první, kdo takto uvažuje. Slavný je příklad Ernesta Rutherforda (jaderný fyzik z Nového Zélandu působící na počátku 20. stol., objevitel atomového jádra – pozn. red.), který v podobném duchu pronesl: „Nemáme peníze, budeme muset používat vlastní hlavy.“ Je pravda, že lidi mobilizuje, když musí nahrazovat nedostatek hrubé síly šikovností či chytrostí. Rozhodně to však není tak, že bychom si tento stav měli přát. Tranzistor by nebyl objeven, kdyby Bellovy laboratoře neměly patřičné zázemí, lidské i materiální. Naše podmínky nejsou ideální, ale zřetelně se zlepšují a dobrých výsledků dosahujeme.
Rutheford také prohlásil, že veškerá věda je fyzika, vše ostatní je sbírání známek. Jaká je podle vás současná pozice fyziky mezi ostatními přírodními vědami?
Myslím, že zůstává stále stejná. Fyzika je samostatným vědním oborem s velikou prediktivní silou v neživé přírodě a extrémně rozsáhlými aplikacemi. Zároveň je základem nezbytným k opravdovému pochopení jevů ve složitějších situacích ostatních přírodních věd.
K mnohým objevům ve fyzice, chemii či lékařství došlo pouze díky náhodě. Náhoda vedla například k objevení rentgenového záření. Jakou roli hraje náhoda v dnešním výzkumu?
Náhoda určitě hraje značnou roli, v globálním měřítku se navíc objevit téměř musí. Masivní a soustředěné výzkumné úsilí si „náhodné objevy“ přímo vynucuje. Fyzika kondenzovaných látek, kterou se zde zabýváme, má typickou frekvenci překvapení, podle vašich slov náhodných objevů, asi jedenkrát za rok. To je frekvence dosti vysoká. Ve vědě existují i obří překvapení. V minulém století tu byla hned dvě. První vedlo k objevu teorie relativity, druhé ke kvantové fyzice. To jsou naprosto výjimečné události, které nastanou tehdy, když naše modelové představy začnou být v nesouladu s tím, co pozorujeme. Pak jsou tu objevy „drobnější“, ale i ty občas vedou k Nobelovým cenám.
Jak byste laikovi vysvětlil, co jsou nanotechnologie?
Nanotechnologie již podle názvu zacházejí se strukturami, které mají nanometrové rozměry, a tyto rozměry přitom silně ovlivňují jejich vlastnosti. Každý předmět má v sobě na mikroskopické úrovni struktury nanometrových rozměrů, ale v kontextu nanotechnologií bychom měli tyto rozměry vypíchnout jen tehdy, když se nějakým podstatným způsobem projeví. Skutečný věk nanotechnologií podle mne prakticky začal, když se v laboratořích IBM podařilo vytvořit nanometrovou heterostrukturu v polovodičích. Bylo zřejmé, že tato struktura tlustá dva až tři nanometry má speciální vlastnosti, které tenčí i silnější struktura ztrácí.
Jak velké jsou nanočástice v porovnání s atomem?
Jeden atom je příliš málo. Deset až sto atomů taky ještě může být málo. Nanostruktury vytvářejí podle situace tisíce, ale i statisíce atomů. Obvyklé je srovnání s lidským vlasem, nanočástice jsou několik řádů pod tloušťkou vlasu, ale z druhé strany atomy musí být ve velkém počtu. Občas se mluví o mezoskopické fyzice, která operuje mezi rozměry jednotlivých atomů a makroskopickými rozměry. Nanometr je miliontina milimetru nebo tisícina mikrometru. Kvalitním optickým mikroskopem můžete vidět objekty několik mikrometrů velké. Úroveň nano je ještě tisíckrát menší.
Při „masovém“ vytváření nanostruktur samozřejmě nemůžeme pracovat s každým jednotlivým atomem individuálně, technologie musí být mnohem účinnější. První postup, který dovedl kontrolovaně připravit nanoobjekt, byla molekulární epitaxe v laboratořích IBM. V ultravysokém vakuu byly na kvalitně připravený povrch polovodiče nanášeny atomy, které „dostaly příležitost“ se zachytit v krystalových polohách. Tak vznikla tenoučká (nano)vrstva se specifickými vlastnostmi.
Tým holandských výzkumníku dokázal, že DNA má zvláštní elektrické vlastnosti a může pracovat jako malinký elektrický drát. Tato vlastnost se dá využít v počítačovém průmyslu, lze tak nahradit křemík a vyrábět čipy o velikosti molekuly. Společnost IBM v roce 2001 oznámila, že se jí podařilo takový čip vyvinout. Jaké možnosti přinesou nanotechnologie v oblasti výpočetní techniky?
Tohle jsou podle mě pokusy na úrovni demonstrace základních schopností, které ovšem zpravidla mají daleko k praktické aplikaci. Například náhrada procesoru Pentium Vámi zmíněným molekulárním procesorem není v dohledu. Nestačí dokázat, že s pomocí jednotlivé molekuly či uhlíkové nanotrubky je možné nějakého účinku dosáhnout. K nahrazení současného křemíkového procesoru vede ještě dlouhá cesta, kdy je potřeba zkoordinovat dnes již miliardy součástek ve fungující celek. Uspořádání velkého počtu molekul do funkčního celku je extrémně náročné. Problém by mohl nastat i s přenosovými rychlostmi v molekulách. Nejrychlejší transistor firmy Intel funguje v křemíku na frekvenci terahertzů. Je otázkou, zda molekulové čipy překonají tyto schopnosti. Podobná vyjádření je proto třeba brát s výhradou, že se zatím jedná pouze o demonstraci.
K čemu se tedy dnes nanotechnologie prakticky využívají?
Nanotechnologie dnes vstoupila i do nejběžnější křemíkové technologie, protože rozměry v současných integrovaných obvodech jsou v řádu desítek nanometrů. Intel hrdě hlásá, že se svými křemíkovými obvody vstoupil do nanosvěta. Masovější použití nanotechnologií zřejmě nenajdete. O laserech v CD a DVD se ještě zmíníme.
Ve své přednášce o nanotechnologiích v rámci Týdne vědy a techniky jste mluvil o využití nanotechnologií k neodposlouchatelnému přenosu informací. Jak takový přenos funguje?
Toto není příliš jednoduchá otázka. Tato technologie bude k přenosu informací používat vlastnosti kvantových stavů fotonů, které jsou jedinečné. Přenos informace tak bude jiný než ten klasický, na který je možné se napojit a přenášenou informaci nepoškodit. V tomto případě napojení se na přenášený signál povede k jeho zničení. Zde se však dostáváme právě na hranu mezi dobrou popularizací a přílišným zjednodušením.
Jakému výzkumu se primárně věnujete v Ústavu fyziky kondenzovaných látek?
Tradičně se věnujeme dvěma směrům. Prvním je optická spektroskopie nanostruktur, kdy sledujeme jejich vlastnosti v závislosti na vlnové délce elektromagnetického záření, které s nimi interaguje. Druhý směr našeho výzkumu je rentgenostrukturní analýza, kde se na vzorky svítí rentgenovým zářením. Ta vypovídá o tvarech a uspořádáních nanoobjektů. Mimo moderní oblast nanotechnologií se však nebráníme ani analýze objektů, ve kterých nanometrové rozměry nehrají roli. Tradičně tak zkoumáme například křemík, slitiny křemíku a germánia či vysokoteplotní supravodiče. Přes úsilí fyziků, které trvá již od roku 1986, dodnes není mechanismus přechodu do supravodivého stavu znám. Zde na ono velké překvapení čekáme. Nanotechnologie už dnes není jen doménou vědy.
Americký magazín Forbes, známý sestavováním mnoha žebříčků, mezi jiným například nejbohatších, nejvlivnějších či nejslavnějších lidí na světě, sestavuje také žebříček deseti nejlepších komerčních nanoproduktů na světě. Mezi oceněné produkty patří mimo jiné tenisová raketa, omlazující krémy či golfové hole.
Takový žebříček bude zcela jistě nespravedlivý, golfové hole jistě nejsou ten produkt, který by nejvíc vytěžil z toho, že jsou k dispozici nanoobjekty. Neférovost tohoto žebříčku tkví v tom, že se o mnoha věcech prostě neví nebo se o nich nemluví. Podstatně více profitu z nanotechnologií je například v zařízeních ukládajících informace v CD a DVD mechanikách. Ta mají heterostrukturní lasery, které dokážou světlo generovat a používat k záznamu dat. Trh s optickým záznamem informací je obrovský a bez čtecího a zapisovacího laseru by ta věc nebyla. Navíc je tu nezměrný potenciál ve zkracování vlnové délky použitého záření, které vede ke zhuštění záznamu. „Nano“ je slovo, jež je dnes široce zneužíváno, ono se hladce spojuje se vším možným.
V různých obdobích lidé věřili, že jsou jen krůček od poznání všeho poznatelného. Nesměřuje k něčemu podobnému i 21. století? Je stále co objevovat?
Osobně čekám, že až bude někdo rekapitulovat jednadvacáté století z pohledu fyziky kondenzovaných látek, s potěšením zjistí, že z těch pořádných překvapení opravdu připadlo na každý rok nejméně jedno.
