Prof. Roman Martoňák, Katedra experimentálnej fyziky,
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky UK v Bratislave
Ak máme na stole vyžehlený obrus, je plochý a hladký. To, že sa sám od seba nezvlní, sa nám zdá samozrejmé. Môže sa niečo, čo je prirodzene ploché, samo zvlniť? Podľa našej bežnej skúsenosti nie. Ale naša skúsenosť pochádza najmä z kontaktu s vecami, ktoré sú podobne veľké, ako my sami. Je možné, že v nejakom inom svete, napríklad v mikrosvete atómov, táto naša skúsenosť neplatí a je to inak?
Pre odpoveď sa treba obrátiť na fyziku, ktorá dokáže skúmať aj mikrosvet. A ten nás prekvapí: môže sa to zvlniť aj samé, len to musí byť dostatočne tenké. Najlepšie by bolo, keby to bolo také tenké, že to už nemôže byť tenšie. Aký je najtenší materiál, ktorý si vieme predstaviť? Keďže látka sa skladá z atómov, najmenšia hrúbka je jeden atóm. Menej sa už nedá, pretože atóm nevieme, jednoducho povedané, „rozdeliť na dve polovice“. Ale môže niečo také – membrána s hrúbkou jedného atómu – vôbec existovať? Bude to držať pohromade, keď je to také tenké? Dá sa to vyrobiť a z čoho?
Už 15 rokov vieme, že to môže existovať a vieme to aj vyrobiť. A máme tu opäť prekvapenie –
dá sa to vyrobiť pomerne jednoducho. Prvýkrát to v roku 2004 dokázali ruskí vedci A. Geim a
K. Novoselov, ktorí pomocou lepiacej pásky dokázali z grafitu – teda z tuhy do ceruzky – odtrhnúť vrstvu s hrúbkou jedného atómu. Túto vrstvu nazvali grafénom a vlastne vyrobili prvý dvojrozmerný materiál. Dvojrozmerný preto, lebo jeho hrúbka je oveľa menšia, ako šírka a dĺžka. Za svoj objav, ktorý odštartoval novú epochu vo fyzike a technike, boli v roku 2010 ocenení Nobelovou cenou za fyziku. Kvôli svojim veľmi zaujímavým elektronickým vlastnostiam je grafén považovaný za perspektívny materiál pre elektroniku. Ale grafén má aj iné pozoruhodné vlastnosti, akými sú vysoká mechanická pevnosť či tepelná vodivosť. Dnes už grafén nie je jediným dvojrozmerným materiálom a existuje množstvo ďalších. Najviac podobná grafénu je jednoatomárna vrstva
bórnitridu BN, pretože bór a dusík sú v periodickej tabuľke hneď vedľa uhlíka, vľavo aj vpravo. Okrem toho však možno takéto vrstvy pripraviť aj z iných prvkov, ako kremík, germánium a fosfor aj zlúčenín ako napr. molybdéndisulfid MoS2 a zoznam takýchto materiálov sa stále dopĺňa o nové systémy. Rôzne dvojrozmerné materiály možno tiež ukladať na seba a takto vzniknú nové materiály so zaujímavými vlastnosťami a veľkým potenciálom pre využitie v najrôznejších aplikáciách.
Poďme naspäť k tomu, ako sa môže membrána, taká, ako grafén, sama od seba zvlniť. Fyzika nám hovorí, že v mikrosvete existuje neustály pohyb. Atómy sa pohybujú tým rýchlejšie, čím vyššia je teplota. Ak niečo ochladzujeme, znamená to, že spomaľujeme pohyb atómov a ak to zohrievame, pohyb atómov urýchľujeme. Tento pohyb je príčinou toho, že grafén alebo iný dvojrozmerný materiál nemôže byť plochý a hladký, pretože na to by sme museli pohyb atómov úplne zastaviť. Zdalo by sa, že sa to skoro dá, ak veľmi znížime teplotu. Ale tu prichádza ďalšie prekvapenie – atómy nemožno úplne zastaviť tak ako auto alebo tenisovú loptičku. Aj keby tepelný pohyb celkom zmizol, atómy aj tak nezostanú stáť na mieste. Môže za to takzvaná kvantová mechanika, ktorá hovorí, že atómy aj pri najnižšej teplote vykonávajú určitý pohyb, ktorému sa hovorí tiež nulové kmity. Dá sa to predstaviť tak, že atómy sa vždy tak trochu „trasú“. Tieto kvantové nulové kmity tiež spôsobia zvlnenie grafénu, a neexistuje nijaký spôsob, ako sa tohoto zvlnenia zbaviť. Ako fyzici by sme radi vedeli, aké vlastnosti majú tieto kvantové vlny v graféne. Ukazuje sa však, že toto sa nedá jednoducho vypočítať, pretože kvantové vlny sú zložitejšie, než tie tepelné. A tu nám prichádza na pomoc superpočítač aurel.
V r. 2013 sa týmto problémom začal zaoberať študent teoretickej fyziky na FMFI UK Juraj Hašík pod vedením Prof. Romana Martoňáka. V rámci svojej diplomovej práce napísal program, ktorý dokáže kvantové vlny na graféne matematicky simulovať. Ale kvantový svet je zložitý a výpočet potrebuje vykonať obrovské množstvo matematických operácií. Keby bežal na bežnom osobnom počítači, trval by mnoho rokov. Aurel je však paralelný superpočítač a dokáže robiť veľa (napr. desiatky, stovky až tisíce) výpočtov naraz. Veľký problém sa tak rozdelí na menšie časti, ktoré sa počítajú súčasne, a celý výpočet sa výrazne urýchli. Samozrejme, že napísať príslušný program nie je jednoduché, ale stojí to za námahu. Juraj Hašík v tomto výskume ďalej pokračoval aj po odchode na PhD štúdium do International School for Advanced Studies, Trieste, kde spolupracoval aj s Prof. Eriom Tosattim.
Čo nám nakoniec aurel povedal o kvantových vlnách v graféne? Ukázalo sa, že kvantové vlny sú úplne iné, ako tie klasické. Na dlhých vzdialenostiach sú slabšie, a preto grafén ostane plochý. Na krátkych vzdialenostiach sú však silnejšie a preto grafén „zdrsnia“. Jednoducho povedané, kvantový grafén pri veľmi nízkej teplote je plochejší ale zároveň drsnejší, než ten klasický. Článok o štruktúre kvantového grafénu bol publikovaný 4. apríla 2018 v časopise Physical Review B v sekcii Rapid Communications, ktorá uverejňuje krátke články prezentujúce vysoko originálne a významné výsledky v oblasti fyziky kondenzovaných látok. Bol tiež označený ako tip vydavateľa (tzv. Editors‘ Suggestion).
Zvlnený grafén z klasických (vľavo) a kvantových (vpravo) simulácií pri teplote 50 K (hore), 12.5 K (v strede) a 2.5 K (dole). Výchylka vo zvislom smere je pre názornosť zväčšená desaťnásobne.
