Kiedy rozłożysz świeżo wyprasowany obrus na stole, wydaje się on być idealnie płaski i gładki. Jednak w mikroświecie atomów wszystko działa inaczej. Cieniutkie membrany, które przypominają obrus, mogą się marszczyć same z siebie, tworząc fale, jeśli są wystarczająco cienkie.
To zjawisko może nam wyjaśnić fizyka, która bada mikroświat. Wyobraźmy sobie możliwie najcieńszy materiał. Ponieważ cała materia składa się z atomów, najmniejsza grubość materiału to jeden atom. Jako pierwsi stworzyli taki materiał dwaj fizycy: A. Geim i K. Nowoselow, którzy za pomocą taśmy kleją cej oderwali warstwę o grubości atomu od grafitu ołówka. Nazywali tę warstwę grafenem i w ten sposób stworzyli pierwszą próbkę dwuwymiarowego materiału. Jest to materiał dwuwymiarowy, ponieważ jego grubość jest znacznie mniejsza niż jego szerokość i długość. Za swoje odkrycie, które zapoczątkowało nową erę w fizyce i technologii, w 2010 roku otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Grafen uważany jest za bardzo obiecujący materiał w elektronice ze względu na jego niezwykłe właściwości elektryczne.
Grafen posiada również inne niezwykłe właściwości, takie jak wysoka wytrzymałość mechaniczna i przewodność cieplna. Dziś grafen nie jest już jedynym dwuwymiarowym materiałem, istnieje wiele innych, a ich lista stale sie poszerza. Ponadto, różne materiały dwuwymiarowe mogą być układane jeden na drugim, aby stworzyć nowe materiały o interesujących właściwościach i możliwościach zastosowania.
Z fizyki wiemy, że atomy stale się poruszają, szybciej w wyższej temperaturze, a wolniej w niższej. Dlatego grafen i inne dwuwymiarowe materiały nie mogą być całkowicie płaskie i gładkie. Nawet jesli ruch termiczny zatrzyma sie calkowicie (jako wynik schłodzenia do zera absolutnego, 0 stopni Kelvina), atomy nie pozostaną w tej samej pozycji. Wynika to z mechaniki kwantowej, która mówi, że nawet w najniższej temperaturze atomy nadal będą wykonywały ruch znany jako ruch punktu zerowego. Ten kwantowy ruch punktu zerowego tworzy również fale w grafenie, ktorych nie sposob zatrzymać. Fizycy chcieliby poznać właściwości tych fal kwantowych w grafenie. Są one jednak bardzo trudne do obliczenia, ponieważ fale kwantowe są bardziej skomplikowane niż fale termiczne. I właśnie tu z pomocą przychodzi superkomputer AUREL.
W 2013 roku Juraj Hašík, student fizyki teoretycznej na Wydziale Matematyki, Fizyki i Informatyki Uniwersytetu Komeńskiego w Bratysławie, zaczął zajmować się tym problemem pod kierunkiem profesora Romana Martoňáka. Martoňák napisał kod, który może matematycznie symulować fale kwantowe w grafenie. Świat kwantowy jest jednak skomplikowany, a obliczenia wymagają wykonania ogromnej liczby operacji matematycznych. Gdyby kod był uruchamiany na standardowym komputerze osobistym, zajęłoby to wiele lat. Na szczęście Aurel jest komputerem wykorzystującym obliczenia równoległe i może wykonywać jednocześnie wiele (dziesiątki, setki, a nawet tysiące) zadań. Duży problem dzieli się na małe części, które można rozwiązać oddzielnie, a całość rozwiązuje się znacznie szybciej. Napisanie takiego programu nie jest oczywiście łatwe, ale warto się postarać. Juraj Hašík kontynuował swoje badania na studiach doktoranckich w Międzynarodowej Szkole Badań Zaawansowanych w Trieście we Włoszech, gdzie współpracował również z profesorem Erio Tosattim.
Co AUREL powiedział nam o falach kwantowych w grafenie? Okazało się, że całkowicie różnią się one od klasycznych. Na dłuższych dystansach są słabsze, więc grafen pozostaje płaski. Na krótszych dystansach są mocniejsze, przez co grafen jest bardziej szorstki. Mówiąc wprost, grafen kwantowy w niższych temperaturach jest bardziej płaski i szorstki niż klasyczny. Praca ta została opublikowana w czasopiśmie Physical Review B (04.04.2018), i wyróżniona przez redakcję.
Prof. Roman Martoňák
Departament Fizyki Doświadczalnej
Wydział Matematyki, Fizyki i Informatyki Uniwersytet Komeńskiego w Bratysławie
