Čas je pravzaprav iluzija

Prof. dr. Dragan Mihailović je na razpisu Evropskega raziskovalnega sveta (ERC) pred kratkim pridobil 2,5 milijona evrov vreden petletni projekt HIMMS s področja kvantne fizike. To je njegov drugi raziskovalni projekt ERC za uveljavljene raziskovalce, skupno pa že njegov tretji projekt​ ERC.

V projektu bo raziskovalec Instituta Jožef Stefan in predavatelj na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani raziskoval skrita metastabilna stanja v kvantnih materialih. To so stanja, ki so dolgoživa, a niso povsem stabilna in jih ne poznamo v ravnovesnem svetu. S kolegi želi razviti nove metode, ki bodo omogočile slikanje gibanja posameznih elektronov v snovi z zelo visoko prostorsko in časovno ločljivostjo – 0,000000000002 sekunde oziroma dve pikosekundi.

Naslov vašega projekta ERC je Skrita metastabilna mezoskopska stanja v kvantnih materialih (HIMMS). Kako bi kar najenostavneje pojasnili, kaj boste raziskovali?

Raziskovali bomo snovi, ki se v času spreminjajo. Novost projekta je, da bi te dogodke oziroma urejanje snovi tudi posneli s posebno »videokamero«. Statično sliko posameznih elektronov, ki se gibljejo v snovi, lahko z metodo, imenovano tipalna tunelska mikroskopija, snemamo že več let. Ločljivost tovrstne mikroskopije je do enega elektrona v orbitali atoma. To zdaj želimo ponesti na višjo raven, da bi gibanje elektronov snemali na različnih časovnih skalah. Prvi pristop, ki ga bomo vpeljali, bi bil desettisočkrat hitrejši kot zdaj, kar prototipno že deluje. Drugi pristop pa bi slikal s hitrostjo skoraj 10¹² slik na sekundo, pri čemer bi morali razviti povsem novo metodo.

Princip, kako dosežemo dinamiko gibanja elektronov v snovi, je dokaj preprost. Začnemo z urejenim elektronskim sistemom v ravnovesju, ki ga s kratkim laserskim sunkom razbijemo. Sistem se nato poskuša urediti nazaj. Gre za kvantne pojave urejanja, saj smo na ravni elektronov. Pri urejanju se pojavijo nova pravila, ki se jih do pred kratkim nismo niti zavedali, da obstajajo oziroma kako delujejo. To so topološka pravila. Enostavno jih lahko ponazorimo na primeru preste in krofa: iz krofa nikakor ne moremo narediti preste, prav tako ne obratno. Pri urejanju snovi na kratkih časovnih skalah taka pravila določajo, kakšna snov bo nastala. Še posebej nas zanimajo stanja, ko se sistem ne povrne v izhodiščno stanje, ampak v neko novo, ki v ravnovesju ne obstaja. Tako lahko ustvarimo nov svet, ki je prav tako razmeroma stabilen, le da je popolnoma drugačen. Takšno stanje smo v preteklosti v naši skupini že odkrili, a nismo dobro razumeli, za kaj gre, zato smo si zamislili nove eksperimente. V tem projektu torej raziskujemo ustvarjanje novih stanj elektronov oziroma spinov v kvantni snovi na zelo zelo kratkih časovnih skalah.

Za razumevanje pojavov na tako kratkih časovnih skalah raziskujemo tudi fiziko velikega poka, kakršen koli je ta bil, saj vključuje zelo podobne pojave. Več desetletij je bilo glavno vodilo, da se pri tem upošteva simetrija. Nastanek sveta naj bi bil povezan z zaporedjem različnih zlomov simetrije. A ni dolgo od tega, ko smo ugotovili, da je treba spoštovati tudi topološka pravila, ki so odločilna pri tem, kaj bo na koncu nastalo. V naših eksperimentih želimo raziskovati snov, ki je drugačna kot v ravnovesju, ki ima drugačno strukturo od običajne. In metoda, s katero bi to dosegli, za zdaj ne obstaja. Bistvo je, da če nam bo uspelo izvesti projekt, kot smo si zamislili, bi lahko videli več in tudi veliko več razumeli.

Ugotovili smo že, da lahko sledimo gibanju posameznega elektrona med urejanjem, kar je sicer že samo po sebi nenavadno. Kvantna mehanika namreč pravi, da brž ko opazujemo kvantni sistem, vplivamo na njihovo gibanje. V našem primeru ustvarimo posebne razmere, ko so elektroni topološko ujeti in zunanji vpliv – na primer naš mikroskop, nanje ne vpliva, ker jih je njihova okolica ukleščila. »Koreografija« gibanja elektronov je torej določena s topološkimi pravili.

Dragan Mihailović je vodja Odseka za kompleksne snovi na Institutu Jožef Stefan, redni profesor fizike na Fakulteti za matematiko Univerze v Ljubljani in direktor Nanocentra. FOTO: Jože Suhadolnik/Delo  

Ta novi svet so torej skrita metastabilna mezoskopska stanja, ki ste jih odkrili med preteklim delom in jih boste zdaj poglobljeno raziskovali?

Kar nekaj let smo delali raziskave, ki smo jih končno objavili leta 2014, šlo je za članek med mojim prejšnjim projektom​ ERC. Odkrili smo obstoj skritih metastabilnih stanj v elektronskih sistemih, in to po zelo zelo čudni poti. Z metodo laserske spektroskopije smo ugotovili, da se iz takrat neznanega razloga nihajni spekter atomov spremeni, če snov vzbudimo pod določenimi pogoji. To nato obstane, razen če snov res močno segrejemo, potem čudežno preide v prvotno stanje, ne da bi se vzorec poškodoval. To je bistvo, atomska rešetka ostane enaka, samo elektronski red se spremeni.

Raziskujete na časovni skali pikosekund. Lani se je javnost nekoliko obširneje srečala s temi kratkimi obdobji, ko je bila podeljena Nobelova nagrada za atosekundno fiziko (10^-18). Kakšna je primerjava?

V trdni snovi, ko govorimo o urejanju elektronov, se ti procesi začnejo približno od deset do 20 femtosekund (10^-15) po laserskem »velikem poku«. V prvih stotih femtosekundah se elektronska energija začne prenašati na atome, začnejo nihati, elektroni predajo energijo, potem se ta nihanja ujamejo med seboj in dobimo skupna gibanja atomov, ki ustrezajo določenim simetrijam v snovi. Nato pa se tudi elektroni, ko so dovolj hladni, začnejo urejati. To smo zdaj že na pikosekundni časovni skali (10^-12). Teoretično lahko nastanejo različna stanja, na primer superprevodno stanje ... Še posebej zanimivo je, da mi lahko s sekvenco dodatnih laserskih sunkov vplivamo na izid in s tem potek urejanja »koreografiramo« v času. To je še en dodaten element zdajšnjega projekta ERC.

Čas ob masivnih objektih, kot so črne luknje, teče drugače, ali teče drugače tudi v kvantnem svetu?

Čas je pravzaprav iluzija. Gre za percepcijo. V nam vsem poznanem svetu je za večino posameznikov svetli del dneva obdobje »eksperimentiranja«. Zjutraj se zbudimo in eksperiment se začne, opazujemo svet in vse dogajanje v njem, ko gremo spat, je eksperimenta konec. Kaj se dogaja ponoči, ko spimo, ne vemo. Pri nas je podobno, le da je naše obdobje zelo kratko.

Časovna skala je določena z energijo pojava. V nekem trenutku se je zgodil veliki pok, ki ga morda lahko definiramo – ni pa nujno. Recimo, da lahko definiramo približno, kdaj je nastal, potem pa so se različne snovi dogajale na različnih časovnih skalah. Če gre za visoke energije, je čas zelo kratek, Higgsov bozon se veže približno v času 10^-23, atosekunde so, denimo, že laboratorijska časovna skala, z našimi eksperimenti pa smo pri femto- in pikosekundah pa vse do milisekund.

Pri tem je pomembno vprašanje, kakšen je pomen metastabilnih stanj. V vsakdanjem življenju se ne zavedamo, da je vesolje kot celota metastabilno. Obstaja končna verjetnost, sicer zelo majhna, da se celotno vesolje pretvori v neko drugo stanje, tako pravi standardni model za opis vesolja, ki pa ni popoln. Ne vsebuje namreč vsega, za kar vemo, da je lahko pomembno. Po drugi strani pa, če ne bi bilo metastabilnih stanj, ne bi bilo tega vesolja, in tudi življenja ne. Živa snov temelji na metastabilnih stanjih, na primer proteini so zloženi na določen način, kar pa ni dolgoročno stabilno.

Kaj bo v projektu ERC največji izziv?

Največji izziv bo v delovanje spraviti hitro različico našega eksperimenta. To je več raziskovalcev po svetu že poskušalo na različne načine, v nekaj primerih delno uspešno, mi pa želimo metodo razviti na drugačen način. Preden sem projekt oddal, smo naredili veliko preliminarnih meritev in korakov k demonstraciji, da bo naš princip deloval. Želimo si torej narediti »videokamero« z atomsko ločljivostjo, s časovnim zaklopom ene pikosekunde.

To je vaš tretji projekt ERC. Gre za nadaljevanje prejšnjih dveh?

Res, to je nadaljevanje, ampak gremo v globino, v boljše razumevanje fizike, v odkrivanje novih metod in novih svetov. Takrat ko smo ta skrita stanja odkrili, je kazalo na možno uporabo, zato je sledil še drugi projekt ERC, manjši, namenjen demonstraciji uporabe. Bil je uspešen in tehnološki razvoj gre naprej, predvsem za spominske tehnologije v kvantnih računalnikih in računalnikih, ki delujejo pri nizkih temperaturah.

Mene pa še vedno najbolj vleče sama radovednost. Gre za odkrivanje temeljnih lastnosti narave, s katerimi lahko razložimo tudi kozmološke pojave. Želimo raziskovati, kakšna so pravila, kako se s časom vzpostavlja tako imenovani topološki red.

Po odkritju prvega primera se je veliko laboratorijev po vsem svetu lotilo iskanja podobnih pojavov v drugih snoveh, vendar se razcvet ni zgodil, da bi na primer odkrili veliko novih materialov s podobnimi pojavi. Mislim, da je bilo tako zato, ker ni bilo prave metode. Prva serija teh eksperimentov je bila morda zasnovana preveč poenostavljeno brez razumevanja globljih fenomenologij. Zdaj po desetih letih, recimo, vemo, kako in kje iskati.

Torej je pred vami še veliko neznanega.

Da, še vedno odkrivamo nov svet. Nekaj smo otipali, vendar moramo zdaj to še zares razumeti. Nekatera topološka stanja so bila v preteklosti že obravnavana v kvantni fiziki, ampak nikoli doslej se jih ni dalo videti v realnem prostoru z mikroskopom. Zasledili so jih v meritvah, recimo kot izmerjen šum v kvantnem sistemu. V našem primeru pa se jih da videti z mikroskopom. Ker so stanja topološko ukleščena, jih lahko drezamo, pa jih ne uničimo, medtem ko navadnih kvantnih stanj ne moremo tako opazovati. To nam omogoča, da lahko bistveno več izvemo o njihovi strukturi in lastnostih.

»Projekti ERC predstavljajo svobodo, ki traja pet let, ko se ne sprašujemo vsak mesec, ali bo denar ali ne. Ta svoboda je neprecenljiva.«  FOTO: Jože Suhadolnik/Delo  

Ali omenjeni mikroskop za opazovanje že imate?

Osnovni aparat je bil po mojih navodilih narejen pred 14 leti. Ta mikroskop smo kupili v okviru centra odličnosti, nič podobnega, z vključitvijo laserjev, drugje na svetu ne obstaja. Naj spomnim, mi smo vsa sredstva centra odličnosti Nanocentra namenili za opremo. In zelo smo zadovoljni, da smo to naredili. Na osnovi te opreme je nastalo veliko novih projektov, tudi jaz sem z njo dobil prvi, drugi in tretji projekt ERC. To pomeni, da se je začetna investicija zelo zelo izplačala. To bi ponudil v razmislek pri financiranju znanosti. Ni vsem očitno, da se tovrstne investicije zelo hitro povrnejo. Skozi naše laboratorije je šla tudi vrsta študentov in raziskovalcev, s katerimi še vedno sodelujemo, četudi so nekateri odšli v domačo industrijo ali v tujino.

Verjetno sicer brez evropskega denarja ne bi mogli raziskovati na taki ravni?

Projekti ERC so zelo pomembni, s temi sredstvi lahko kupimo opremo. Ker so prestižni, z njimi dobimo ugled, s tem pa možnost, da pritegnemo vrhunske mlade raziskovalce. Po drugi strani pa predstavljajo svobodo, ki traja pet let, ko se ne sprašujemo vsak mesec, ali bo denar ali ne. Ta svoboda je neprecenljiva.

Pridobivanje evropskih projektov je zahtevno delo. Vam je uspelo tretjič, je bilo zdaj vse skupaj lažje kot prvič?

Prvič sem imel idejo, ki jo je bilo enostavno prikazati. Z optičnimi metodami naj bi sledili poteku dogodkov skozi fazni prehod v elektronskem sistemu. Zdaj pa je bil glavni problem prepričati komisijo, da je sploh možno mikroskopsko slikati to dogajanje. V prejšnjem poskusu mi jih ni uspelo prepričati, ampak pri prijavljanju na ERC je prednost to, da pridobiš 11 ali 12 resnih mnenj, na podlagi katerih lahko vnovič poskusiš. Nekatera mnenja so bila zelo relevantna, konstruktivne kritike so prišle prav, neutemeljene sem ignoriral. Sam proces odločanja je boljši kot kjerkoli drugje in ves svet nam zavida sistem Evropskega raziskovalnega sveta. Pohvalil bi tudi sistem komplementarne sheme Aris, ki omogoča, da se projektne ideje v vmesnem času dodelajo.

Vodite tudi odsek na IJS, ste direktor Nanocentra. Kako združujete vse to?

Priznam, da se zadnji dve leti trudim, da bi predal te funkcije drugim in se posvetil le raziskovanju in znanosti, ker me to veseli. Vodstvene funkcije niso najpreprostejše, zahtevajo neskončno veliko truda in premagovanje birokratskih ovir.

Naj pa poudarim, da sem v zadnjih letih sestavil ekipo mladih sodelavcev, ki so vrhunski in jim lahko zaupam. Verjamem, da bodo lahko prevzeli vajeti. Nikakor me ne skrbi za razvoj ne odseka ne Nanocentra. Ta je izredno pomemben, saj je edini slovenski center z odprtim dostopom do opreme tako za slovensko industrijo kot za raziskovalne skupine. Pri tem sledimo vzoru razvitih držav, saj je odprt dostop do vrhunske opreme finančno veliko učinkovitejši, kot če se oprema podvaja po skupinah. Nanocenter živi skoraj v celoti iz lastnih in tržnih sredstev, kar pa je problem, ko pride do obnove opreme. Ob ustanovitvi leta 2010 smo prek razpisa za centre odličnosti nabavili vrhunsko opremo, ki pa se z leti kvari in postaja zastarela, sredstev za njeno obnovo pa nam kljub jasnim prednostim odprtega dostopa do zdaj ni uspelo zagotoviti. V Nanocentru je bil odprti dostop osnovno poslanstvo, zdaj z nami sodelujejo številne skupine z inštitutov, univerz, tudi iz slovenske industrije. Zadnje čase imamo veliko tujih uporabnikov, na primer švicarske, nemške in ameriške univerze in Google Quantum AI na področju kvantnih naprav. Prizadevamo si za čim širši krog uporabnikov, poleg opreme pa ponujamo tudi vrhunsko znanje in podporo pri reševanju problemov. Moja naloga je uveljaviti princip odprtega dostopa do vrhunske opreme s stabilnim virom denarja.

Kakšni so sicer projekti odseka in Nanocentra?

V Nanocentru smo v zadnjih letih v sodelovanju z IJS vzpostavili prostore za proizvodnjo naprav in čipov nanometrskih dimenzij (po terminologiji elektronske industrije govorimo o 7-nanometrski procesni tehnologiji). To so čisti prostori in brezzračne komore, v katerih lahko opravimo celotni postopek izdelave prototipnih čipov. Izdelava je hitra, lahko je končana v enem dnevu, pri čemer lahko izdelovalci postopek večkrat ponovijo in testirajo delovanje. Prav tako, denimo, analiziramo, zakaj čipi ali druge polprevodniške naprave ne delujejo oziroma zakaj nastajajo napake. To lahko reši neko podjetje iz kočljivih situacij, ki so finančno lahko zelo neugodne.

Na odseku pa tečejo raziskave v dveh glavnih smereh. Ena so mehke snovi, kjer so kolegi imeli pred leti zelo velike dosežke, ko so odkrili feromagnetne tekoče kristale. To je bilo zanimivo, ker je bilo urejanje malce nepričakovano. Moja skupina pa se že ves čas ukvarja z ultrahitrimi raziskavami z laserji. Velik dosežek nam je uspel v 90. letih, ko smo sami skonstruirali laser, z njegovo uporabo smo si ustvarili primat pred vsemi drugimi skupinami na svetu. S tem smo imeli nekaj let prednosti pri raziskavah ultrahitrih pojavov v superprevodnikih in smo prvi na svetu objavili sistematične in pomembne rezultate. Ves čas sem imel srečo, da sem imel ekipo mladih motiviranih ljudi. Kot ponavadi nič ni šlo v prvem poskusu, veliko trdega dela, vztrajnosti in motivacije je bilo potrebnih do uspeha.

»Stvari so odvisne tudi od svetovnih trendov, ampak predvsem je treba aktualne raziskave prikazati tako, da so mladim privlačne.« FOTO: Jože Suhadolnik/Delo  

Se tudi pri vas srečujete s pomanjkanjem kadra?

Z leti sem se naučil, da če ni zanimanja mladih za naše raziskave, potem je s področjem raziskovanja nekaj narobe in morda pomeni, da ponujene raziskave niso aktualne. Ko pa je tematika dobra, kadra ni tako težko najti. Tudi iz tujine ne, kljub neprivlačnim delovnim in prostorskim razmeram ter nizki plači. Stvari so odvisne tudi od svetovnih trendov, ampak predvsem je treba aktualne raziskave prikazati tako, da so mladim privlačne. Čedalje pomembnejša je njihova promocija, da se prikaže delo, in potem mladi sami zagrabijo priložnost, želijo si biti del aktualne, dobre in zanimive zgodbe.

Kar nekaj slovenskih raziskovalcev na kvantnem področju je v svetovnem vrhu. Se dobivate in izmenjujete svoje ideje?

Res, že tu v našem nadstropju jih je nekaj (na IJS sta projekta ERC za raziskave neravnovesnih kvantnih pojavov pred kratkim dobila še dr. Lev Vidmar in dr. Zala Lenarčič). Pogosto izmenjujemo ideje tudi s kolegom Tomažem Prosenom, ki je nedavno dobil svoj drugi projekt ERC. Pred 13 leti smo se teoretiki in eksperimentalci dogovorili, da se pred novim letom dobimo na tridnevni delavnici na Krvavcu, predstavimo drug drugemu svoje delo in ideje za možna sodelovanja. Na prvem srečanju je bilo 16 ljudi, večinoma samo domačih raziskovalcev z Instituta Jožef Stefan. Zdaj je konferenca postala zelo prestižna in vsako leto je prijavljenih bistveno več ljudi z vsega sveta, kot jih lahko sprejmemo. Zgovoren je podatek, da je iz ekipe, ki redno prihaja na Krvavec, kar 15 dobitnikov projektov ERC. To je izjemna priložnost za zelo zanimive razprave in pomembna komponenta pravega raziskovalnega okolja, iz katerega lahko vzniknejo nove ideje.

Je v Sloveniji tudi sicer spodbudno okolje za znanost?

Kljub omejenim sredstvom, zelo tesnim prostorom in slabšim razmeram, kot jih imajo kolegi v tujini, se ga da ustvariti. Uspešni projekti ERC ​so pomembni za ustvarjanje spodbudnega okolja. Uspehi so znotraj sfere zelo cenjeni, kar veliko pomeni. A za zdaj se zdi, da se pri domačem financiranju znanosti še vedno lovimo. Pogosto se na financiranje znanosti ne gleda kot na investicijo, ampak kot strošek. Želeli bi si tudi več posluha za naše potrebe, ki pa so različne. Prav tako bi bila koristna kritična presoja uspešnosti delitve sredstev na podlagi različnih ukrepov, ki bi pokazali, kaj je dobra investicija in kaj ne. Na primer, če smo pred 14 leti iz poldrugega milijona evrov slovenskih sredstev za opremo Nanocentra pridobili za več kot 60 milijonov evrov novih projektov, ki se neposredno navezujejo na to opremo, se davkoplačevalci upravičeno lahko vprašajo, ali ne bi veljalo ponoviti vajo. Kje drugje lahko računamo na tolikšno dodano vrednost?