Jest pan profesor wybitnym specjalistą w zakresie materiałów wielofunkcyjnych, takich jak magnetyki, ferroelektryki i multiferroiki. Jakie zastosowania mogą one znaleźć w praktyce?

Profesor Wolfgang Kleemann podczas uroczystości inauguracji roku akademickiego 2013/2014 otrzymał tytułu Profesora Honorowego Uniwersytetu Śląskiego

Materiały multiferroikowe to bardzo odważna wizja znana od 120 lat. Już w 1984 roku Pierre Curie wyobrażał sobie, że materiały magnetyczne mogą być kontrolowalne polem elektrycznym, a materiały spolaryzowane elektrycznie – polem magnetycznym. Upłynęło jednak kolejnych 60 lat, zanim w 1960 roku Dmitrij Nikołajewicz Astrow odkrył w dwutlenku chromu (chromicie) właściwości magnetoelektryczne. Niestety, momenty magnetyczne indukowane silnym polem elektrycznym były niewielkie. Efektem tym interesowano się raczej jako naukową ciekawostką i nie rozważano jego potencjalnych zastosowań technicznych, niemniej jednak świadomość istnienia efektu magnetoelektrycznego pobudzała fantazję naukowców i prowadziła do wielu wizjonerskich koncepcji, np. możliwości manipulowania magnetycznym bitem w pamięci komputera za pomocą ultraszybkiego i oszczędnego energetycznie układu elektrycznego. Dopiero jednak ostatnio wizje te zaczęły się materializować w nowoczesnej technologii, określanej mianem magnetoelektrycznej spintroniki, gdy wreszcie dokonaliśmy przełomu technologicznego, którym stało się stworzenie prototypu pamięci magnetoelektrycznej o dostępie swobodnym MERAM (U.S. Patent nr 7,719.883, 2010).

W multiferroikowych cienkich warstwach sprzężenie pomiędzy magnetycznym i ferroelektrycznym parametrem porządku może być wykorzystane do budowy urządzeń magnetoelektronicznych. Dotyczy to także innych urządzeń spintronicznych, takich jak tunelowe czujniki magnetorezystancyjne (TMR) oraz zawory spinowe (SV). Odrębną grupę stanowią objętościowe multiferroikowe struktury kompozytowe przeznaczone do budowy wysokiej czułości czujników zmiennego pola magnetycznego oraz przestrajalne elektrycznie urządzenia dla techniki mikrofalowej, takie jak filtry czy przesuwniki fazowe. W tym wypadku ferri-, ferro- i antyferromagnetyczne rezonanse mogą być przestrajane polem elektrycznym zamiast magnetycznym. Kolejnym bardzo obiecującym kierunkiem są badania nad wielostanowymi elementami pamięci, w których dane mogą być przechowywane zarówno w postaci zapisu elektrycznego, jak i magnetycznego. W tym wypadku wciąż poszukuje się odpowiednich materiałów.

Do efektów pracy naukowej pana profesora sięgają uczeni z całego świata. Dlaczego najczęściej cytowany artykuł (opublikowany w „Physical Review Letters” w 1992 roku) zyskał miano TrailBlazera? Jaką inspirację niesie on dla kolejnych pokoleń naukowców?

Prowadząc badania nad ferroelektrycznością i magnetyzmem, łączyłem obie te dziedziny nauki. W 1986 roku przebywałem na stażu w grupie profesora Vince’a Jaccarino w USA (Santa Barbara), gdzie zaznajomiłem się z problemem bezładnych pól (random fields). W tym czasie to zagadnienie rozważano przede wszystkim w kontekście nieuporządkowanych materiałów magnetycznych, takich jak rozcieńczone antyferromagnetyki znajdujące się w zewnętrznym polu magnetycznym. Dokładnie takie układy zaczęliśmy badać także na Uniwersytecie w Duisburgu. Zainspirowała mnie wiedza przekazana przez wybitnych ekspertów i natychmiast podjęliśmy ten nowy kierunek w moim zespole badawczym. Po powrocie do Duisburga moja „podgrupa magnetyczna” mogła owocnie pracować przez kilka lat. Okazało się, że także „podgrupa ferroelektryczna” skorzystała na idei bezładnych pól. W lipcu 1991 roku uczestniczyłem w konferencji w Dijon (Francja) poświęconej ferroelektryczności. Słuchając wykładu Elisabeth Husson, poświęconego tzw. relaksorowemu kryształowi magnezo-niobianu ołowiu (PMN), nabrałem przekonania, że także i ten materiał powinien być ferroikowym układem typu bezładnego pola. Taki przypadek nigdy wcześniej nie był obserwowany w magnetyzmie. Wszystkie dotychczasowe eksperymenty nad magnetycznymi układami bezładnego pola – w tym nasze – były przeprowadzone na rozcieńczonych antyferromagnetykach umieszczonych w zewnętrznym polu magnetycznym! Tak się złożyło, że rok wcześniej Maya Glinchuk z Kijowa (Ukraina) podarowała mi monokrystaliczne próbki PMN-u. Po powrocie z Dijon wraz z moim studentem Volkerem Westphalem, który pisał pracę dyplomową, zrealizowaliśmy szybko nasz program badawczy. Ja zaprojektowałem eksperymenty, on je skrupulatnie przeprowadził. W październiku 1991 roku wysłaliśmy manuskrypt do „Physical Review Letters”. Praca zatytułowana „Diffuse chase transitions and random-field induced domain states of the ‚relaxor‘ PbMg1/2Nb2/3O3” [Phys. Rev. Lett. 68, 847 (1992)] stała się naszym bestsellerem, doczekała się już ponad 600 cytowań, tj. średnio około 30 rocznie.

Dlaczego jest ona naszym wielkim sukcesem? W sposób niekonwencjonalny łączy teorię fizyki magnetyzmu i niezwykłe zachowanie materiałów ferroelektrycznych. Chociaż idea uniwersalności rządzi fizyką przemian fazowych od samego początku, to przedstawiona w naszej pracy koncepcja nie mogła być jednak łatwo przeniesiona z jednej klasy materiałów na drugą. Bariery w myśleniu, że „magnetyczny moment spinowy nie może być porównywany z elektrycznym momentem dipolowym” utrudniały szybkie zrozumienie istoty sprawy. Obecnie fizyka relaksorów stanowi swoistą kopię znanej w magnetyzmie fizyki szkieł spinowych (wiodąca koncepcja z lat 1970–1985), która jest ilustracją fizyki nieporządku przypadkowych oddziaływań (random bond disorder). Ponieważ przyswoiłem sobie myślenie kategoriami zarówno magnetyzmu, jak i ferroelektryczności, miałem szansę zostać pionierem na polu niedostatecznie zrozumiałego zagadnienia fizyki relaksorów.

Co radzi pan profesor młodym adeptom nauki?

Bądźcie otwarci na pokrewne dziedziny nauki i nie odrzucajcie myślenia wykraczającego poza zdefiniowane granice. Podążajcie za intuicją, ale weryfikujcie jej ograniczenia. Bądźcie otwarci na pracę z innymi zespołami, lecz także gotowi na ewentualną dyskusję i krytykę. Szukajcie wymagających partnerów. Prawdopodobnie tego typu myślenie i działanie będzie jeszcze bardziej pożądane w przyszłości, która przyniesie szersze pokrywanie się różnych dziedzin wiedzy, pomimo wąskiej specjalizacji. Liderzy muszą być świadomi wzajemnych powiązań i współzależności w nauce.

Kiedy zaczęła się współpraca pana profesora z Uniwersytetem Śląskim?

Do mojego pierwszego naukowego kontaktu z profesorem Janem Decem doszło w 1989 roku podczas Międzynarodowej Szkoły Fizyki Ferroelektryków na zamku Książ, organizowanej przez prof. Zbigniewa Czaplę z Uniwersytetu Wrocławskiego. Szybko znaleźliśmy wspólny język. Następnie w czerwcu 1993 roku prof. Dec gościł w naszym laboratorium. Było to możliwe dzięki finansowemu wsparciu Niemieckiej Centrali Wymiany Akademickiej (DAAD). W marcu 1995 roku po raz pierwszy gościłem na Uniwersytecie Śląskim w Katowicach. Miałem okazję poznać laboratorium mojego kolegi. W ciągu kolejnych 18 lat naszej owocnej współpracy spotykaliśmy się podczas licznych konferencji oraz wizyt naukowych prof. Deca w moim laboratorium, finansowanych z moich projektów badawczych realizowanych na Uniwersytecie Duisburg-Essen. W styczniu 1995 roku ukazała się nasza pierwsza wspólna publikacja [Europhys. Lett. 29, 31 (1995)], której współautorami byli laureat Nagrody Nobla prof. Johannes Georg Bednorz (Rüschlikon – Szwajcaria) oraz mój doktorant Ulrich Bianchi. Wyposażenia naszych laboratoriów w Katowicach i Duisburgu były komplementarne, co pozwalało na realizację naszych badań w obu miejscach. Takim sposobem do roku 2013 przygotowaliśmy 74 wspólne publikacje, ukazujące najbardziej owocną bilateralną współpracę w mojej karierze.

W latach 2008–2011 był pan profesor beneficjentem polskiego honorowego stypendium naukowego im. Aleksandra von Humboldta Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej i gościł pan na Uniwersytecie Śląskim. Jakie były efekty współpracy z naukowcami z naszej uczelni?

Ten okres był szczególnie owocny, choć nie może być mierzony zwiększoną liczbą publikacji (średnio 4 rocznie) przewyższającą tylko nieznacznie naszą średnią z 19 lat (3,9). Niemniej jednak wsparcie w ramach projektu von Humboldta przyczyniło się do wzrostu intensywności i poszerzenia tematycznego naszej działalności naukowej – wraz z kolegami z Litwy i Portugalii zainicjowaliśmy badania nowych materiałów z użyciem nowych technik eksperymentalnych. Miałem także możliwość poznać inne polskie ośrodki naukowe, takie jak Warszawa czy Poznań, i ich wyposażenie laboratoryjne. Z sukcesem opublikowaliśmy rozdział monografii poświęcony nieliniowej spektroskopii dielektrycznej (ponad 3 tys. pobrań w okresie 2 lat). W ramach tego wsparcia finansowego mogłem zaprosić moich polskich kolegów, prof. Deca i dr. Migę, do Duisburga w celu przeprowadzenia unikalnych pomiarów.

Współczesny uczony opuścił wieżę z kości słoniowej. Ciągłość nauki to – według pana profesora – edukowanie młodych czy intensyfikacja pracy badawczej?

Nauka o materiałach i fizyka ciała stałego mają w swej misji badania materii i materiałów dwa zasadnicze cele: lepsze rozumienie oraz czynienie rzeczy lepszymi poprzez poprawę ich właściwości. Mamy przeto przed sobą dwa kluczowe zadania – rozwój intelektualny oraz korzyści dla ludzkości. To ostatnie przejawia się w ciągłej poprawie produktów codziennego użytku zgodnie z potrzebami klienta. W tym procesie producenci i konsumenci są wzajemnie uzależnieni. Na rynek oddziałują ponadto czynniki o charakterze psychologicznym i empatycznym, które wykraczają poza domenę nauk ścisłych, dlatego odpowiedzialność naukowców staje się bardziej oczywista, gdy dokonują oni odkryć nowych materiałów lub ich nowych właściwości. Powyższe jasno definiuje misję uniwersyteckiej edukacji, która powinna zdecydowanie pełnić funkcję odpowiedzialnego kierownika i mentora w czasie nauczania. Stąd pochodzi moje credo: edukując młodych naukowców, należy uczyć ich prowadzenia badań z maksymalną kreatywnością. I na koniec dobra wiadomość dla nauczycieli: zawsze doznacie korzyści wynikających z emanującej kreatywności młodych ludzi. To tworzy pewien system wzajemności, który jest korzystny i satysfakcjonujący dla obu stron tego procesu.

W jakim kierunku – zdaniem pana profesora – powinna zmierzać nauka? Jakie jej dziedziny stanowić będą o właściwym rozwoju cywilizacji? A może jedynym rozwiązaniem jest interdyscyplinarność?

Odwołując się do mego doświadczenia i analizując osobistą karierę, mogę stwierdzić, że interdyscyplinarność może być kluczem do osobistego sukcesu. W moim przypadku znajomość i kojarzenie dwu różnych dziedzin fizyki ciała stałego umożliwiły zrozumienie wielu złożonych problemów. To samo może też być osiągnięte w wyniku ścisłej współpracy specjalistów lub specjalistycznych zespołów, warunkiem koniecznym powodzenia jest jednak otwartość poszczególnych podmiotów na różne kierunki myślenia, w przeciwnym wypadku postęp może być bardzo ograniczony, a jego oddziaływanie na otoczenie marginalne. Fizyka i nauka o materiałach, będąc w dobrej symbiozie z chemią, są na najlepszej drodze, aby przybliżyć się do biologii, tworząc ofertę badawczą dla nowoczesnego przemysłu. Biologia to rzeczywisty i żywy świat, który jest tak cenny na naszej małej planecie. Jestem przekonany, że zbliżenie różnych dyscyplin naukowych będzie ukierunkowane na obiekty żywe po to, aby je w pełni poznać i zrozumieć, oraz na rozwój dobrobytu – prawdziwe wyzwanie dla przyszłości.