Jedna z legend o powstaniu ciasta piernikowego mówi o czeladniku Mikołaju Czanie, który przez pomyłkę do ciasta chlebowego dolał miód zamiast wody. Zdenerwowany mistrz, u którego młody człowiek terminował, zabronił wyrzucania ciasta, dlatego, zgodnie z podaniem, Mikołaj powykrawał postaci zwierząt, upiekł je i zaczął sprzedawać na straganie przy jednym z toruńskich kościołów. Słodkie ciasto okazało się sukcesem, a mistrz pogodził się z czeladnikiem. Aby wyostrzyć smak, do ciasta dodano najróżniejsze przyprawy, a mieszkańcy Torunia zaczęli nazywać je piernymi, czyli pieprznymi ciastkami. Tak oto, w wyniku przypadku, powstały pierniki, a Mikołaj stał się pierwszym piernikarzem. Omyłkowe „zanieczyszczenia” zdarzają się również w fizyce i chemii, a powstałe w przypadkowy sposób materiały mogą mieć nowe, zaskakujące właściwości. O niespodziankach w fizyce, pozytywnym znaczeniu defektów oraz niezwykłych zastosowaniach znanych już materiałów opowie prof. dr hab. Jacek Szade z Zakładu Fizyki Ciała Stałego.

Unikalny klaster ultra-wysokopróżniowy (UHV) pozwalający na uzyskiwanie cienkich warstw i ich badanie bez kontaktu próbki z atmosferą

Fizyka powierzchni

Opowieść o badaniach prowadzonych w zespole prof. Jacka Szadego zaczynamy od wizyty w laboratorium Zakładu Fizyki Ciała Stałego, zlokalizowanym w Śląskim Międzyuczelnianym Centrum Edukacji i Badań Interdyscyplinarnych w Chorzowie. Wybór zainteresowań badawczych determinowany jest bowiem możliwościami, jakie daje nowoczesna i unikatowa aparatura pomiarowa – klaster ultra-wysokopróżniowy (UHV) oraz urządzenie do wytwarzania ultracienkich warstw, nawet o grubości pojedynczej warstwy atomu.

– Jestem fizykiem ciała stałego i od kilku lat zajmuję się tak zwaną fizyką powierzchni. Metody badawcze stosowane w moim laboratorium służą przede wszystkim do badania właściwości fizykochemicznych warstw powierzchniowych ciał stałych – mówi prof. Szade. Fascynacja warstwami ultracienkimi wynika przede wszystkim ze zmiennych właściwości i możliwości ich zastosowania. Okazuje się, że znany już materiał w postaci objętościowej może wykazywać inne właściwości niż w swojej warstwie powierzchniowej. Innymi słowy substancja, która dotychczas opisana była w świecie fizyki na przykład jako półprzewodnik, na powierzchni może świetnie przewodzić prąd. To tak, jakbyśmy otaczający nas świat zaczynali poznawać od nowa.

Koniec z freonem

W grupie badawczej prof. Szadego realizowanych jest kilka różnych projektów badawczych. Jeden z nich dotyczy opisywania nowych materiałów służących do tzw. schładzania magnetokalorycznego. Koordynatorem projektu jest Instytut Metali Nieżelaznych w Gliwicach, a poszczególne etapy badań prowadzone są przez naukowców z Politechniki Warszawskiej, z Instytutu Fizyki PAN, Instytutu Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN oraz przez zespół prof. Szadego. Fizycy z Uniwersytetu Śląskiego badają materiały syntezowane wcześniej w innych ośrodkach. – Naszym zadaniem jest jak najdokładniejszy opis materiałów pod względem struktury elektronowej, która determinuje praktycznie wszystkie właściwości fizykochemiczne. Oczywiście one są tak projektowane, by można otrzymać jak najlepsze efekty schładzania magnetokalorycznego – wyjaśnia fizyk.

Modelowane materiały mogą w przyszłości posłużyć do stworzenia nowego typu chłodzących urządzeń, dzięki wykorzystaniu efektu magnetokalorycznego. Z jednej strony dąży się do stworzenia urządzeń, które będą zużywać znacznie mniej energii w procesie chłodzenia, z drugiej – poszukuje się materiałów przyjaznych dla środowiska. Powszechnie znany sposób schładzania w lodówkach i klimatyzatorach bazuje na przemianach termodynamicznych. Substancja gazowa jest sprężana i rozprężana, wskutek czego pobiera ciepło z pomieszczenia, które ma być chłodzone i oddaje je na zewnątrz urządzenia.

– Z tyłu lodówek zawsze możemy odczuć wyższą temperaturę, ciepłe powietrze z klimatyzatorów jest natomiast oddawane na zewnątrz budynku – mówi prof. Szade. – Co więcej, materiałami, które ulegają sprężaniu i rozprężaniu, są najczęściej różnego rodzaju węglowodory, między innymi te, które nazywamy freonami. Wiemy o nich, że dostają się do atmosfery i przyczyniają się między innymi do efektu cieplarnianego, dlatego szukamy nowych sposobów chłodzenia – dodaje naukowiec.

Spróbujmy zatem wyobrazić sobie tzw. lodówkę magnetokaloryczną. Jej nazwa mogłaby wprawdzie oznaczać funkcję zmniejszania kaloryczności produktów w niej przechowywanych poprzez „przyciąganie” niechcianych kalorii do ścian urządzenia, ale niestety nie w tym tkwi jej sekret. Magnetokaloryczny efekt oznacza bowiem zjawisko obniżania temperatury danego materiału (łac. calor – ciepło), będącej efektem jego przechodzenia przez zmienne pole magnetyczne. Innymi słowy, jak wyjaśnia prof. Szade, poszukiwany materiał w wyniku procesu magnesowania i rozmagnesowania w jednym miejscu mógłby pobierać ciepło (z wnętrza urządzenia czy z pomieszczenia), w innym zaś je oddawać. Zasada działania takiego urządzenia nie jest skomplikowana. Problemem okazuje się znalezienie materiału o pożądanych właściwościach, którego temperatury przemian magnetycznych będą się wahały w granicach 18–27 °C dla klimatyzatorów czy lodówek. Grupy badawcze w różnych międzynarodowych ośrodkach naukowych, w tym również zespoły pracujące w ramach projektu koordynowanego przez IMN w Gliwicach, poszukują zatem substancji spełniających określone wymagania, a przy tym niedrogich.

– Sfera biznesu zainteresowana jest wynikami naszych badań, ale musimy pamiętać, że rozmawiamy o wczesnym etapie projektu. Zbadaliśmy już kilka próbek, mamy wstępne obliczenia, ale jest za wcześnie, by mówić o konkretnych wnioskach. Nie mamy jeszcze materiału o optymalnych własnościach – komentuje fizyk. Prof. Szade widział wprawdzie prototypy takich urządzeń, ale, jak dodaje, nie różnią się one znacząco od kształtu znanych nam lodówek czy klimatyzatorów.

Prof. dr hab. Jacek Szade prezentuje spektrometr fotoelektronów

Spintronika zamiast elektroniki

– W fizyce najbardziej fascynuje mnie pewien rodzaj niepewności. Gdy otrzymuję próbkę nowego materiału do badań, nigdy do końca nie wiem, jaki będzie wynik pomiarów. Zawsze coś może nas zaskoczyć i tak właśnie było w przypadku izolatorów topologicznych, innego badanego przez nas materiału, znanego dopiero od kilku lat – mówi naukowiec. W swej objętości izolatory są półprzewodnikami, a więc nie najlepiej przewodzą prąd elektryczny, na ich powierzchni natomiast tworzy się stan metaliczny, charakteryzujący się z kolei wysokim przewodnictwem elektrycznym. Przepływ prądu jest nietypowy, z jego kierunkiem związany jest bowiem kierunek spinu, czyli własny moment pędu elektronu. Sukcesem zespołu prof. Szadego jest dokładne opisanie ultracienkich warstw izolatorów topologicznych. Znów jest to wstępny etap badań, ale już teraz wiąże się z nimi duże nadzieje. Materiały te mają wiele wspólnego z grafenem i mogą stać się przyszłością w rozwoju elektroniki. Jak wyjaśnia prof. Szade, obecnie podstawowym materiałem jest krzem, ale postępująca miniaturyzacja urządzeń odsłania jego ograniczenia. Największym z nich, limitującym dalszą miniaturyzację układów scalonych, jest między innymi wydzielanie ciepła. Stosuje się wprawdzie różne wybiegi, ale technika osiąga powoli poziom, którego nie da się przekroczyć, dlatego naukowcy testują nowe materiały.

Jeśli wyniki badań zostaną potwierdzone, izolatory topologiczne staną się, oprócz grafenu i nanorurek węglowych, podstawowym budulcem urządzeń spintronicznych. O ile nośnikiem informacji w elektronice są zmiany w przepływie prądu, o tyle w spintronice tym elementem ma być spin elektronu.

– Myślę, że to jest nasza przyszłość: dalsza miniaturyzacja, jeszcze większa gęstość zapisu, wydajniejsze nośniki pamięci itd. Nasze izolatory topologiczne wpisują się w ten nurt – komentuje prof. Szade.

(Nie)pożądany defekt

W tak zaawansowanych badaniach ogromne znaczenie mają sposoby dokonywania pomiarów właściwości tych materiałów. Jest to niezwykle złożony proces. Naukowcy muszą także znać ograniczenia stosowanych przez siebie technik pomiarowych. Próbki są niezwykle czułe na zanieczyszczenia. Każdy ślad zostaje od razu zauważony, dlatego albo przygotowywane są w próżni, albo odpowiednio oczyszczone przed właściwym badaniem. Cienkie warstwy izolatorów topologicznych są hodowane od razu w laboratorium.

– Nie bez powodu mówię o hodowli. Przez wiele lat zajmowałem się hodowlą monokryształów materiałów litych. Teraz przygotowuję ultracienkie warstwy, ale proces powstawania jest podobny, dlatego zamiast mówić o wzroście, osadzaniu czy depozycji warstw, wolę używać słowa hodowla. W naszym laboratorium przyjęło się ono bez problemów – dodaje z uśmiechem prof. Szade. W przygotowywanych próbkach ogromne znaczenie ma oczywiście aparatura laboratoryjna. Prześledźmy zatem proces tworzenia przykładowej ultracienkiej warstwy tellurku bizmutu (Bi2Te3) metodą epitaksji z wiązek molekularnych (MBE – ang. Molecular Beam Epitaxy). Pierwszym działaniem jest odparowanie składowych materiałów, najczęściej czystych pierwiastków, które będą następnie osadzane na próbce. W jednej komórce efuzyjnej podgrzewany jest bizmut, w drugiej tellur, następnie pary obu pierwiastków kierowane są na odpowiednio przygotowane, atomowo gładkie podłoże. Celem jest idealnie uporządkowana atomowo warstwa tellurku bizmutu (Bi2Te3). Dyfraktometr elektronów pokazuje, czy udało się osiągnąć pożądany efekt. Jeśli tak, wówczas próbka zostaje przemieszczona dzięki systemowi transferu w ultrawysokiej próżni, np. do spektrometru fotoelektronów, gdzie można sprawdzić, czy do próbki nie dostało się zanieczyszczenie i czy pierwiastki ze sobą rzeczywiście przereagowały.

– Oczywiście przypadkowe zanieczyszczenia mogą zmienić właściwości danego materiału w sposób, który zrewolucjonizuje naukę, i to się w historii naszej dziedziny zdarzało. Czytałem ostatnio w publikacjach o interesujących właściwościach tlenku grafenu, a więc tak naprawdę grafenu zanieczyszczonego przez reakcję z tlenem. Wykazuje on ciekawsze pod pewnymi względami właściwości niż czysty materiał i z nim wiąże się ogromne nadzieje – mówi fizyk. Defekt nie zawsze musi oznaczać coś negatywnego. Samo określenie jest dobre, bo sygnalizuje zaburzenie struktury materiału, ale w jego otoczeniu mogą pojawić się całkiem nowe właściwości. Dzięki nim, podobnie jak w przypadku legendy o powstaniu ciasta piernikowego, naukowcy mogą otworzyć całkiem nowy rozdział w fizyce.