Jeho příběh by mohl dávat naději rodičům, kteří jsou nešťastní ze svých dětí, jež se nechtějí učit a raději čas věnují svým koníčkům. Přesně tak to měl dlouho i dnes špičkový český fyzik Tomáš Jungwirth.
Ačkoli se narodil do vědecké rodiny, první knihu přečetl až na gymnáziu, a jak s potutelným úsměvem říká, ani na vysoké škole nebyl zrovna studijní typ. Mnohem víc ho bavila hudba.
Místo ní ale nakonec zakotvil ve fyzice a je to dobře. Patří ke světové vědecké špičce, řadí se mezi nejcitovanější vědce na světě a ve Fyzikálním ústavu Akademie věd v Praze vybudoval s kolegy jedno ze světových center oboru spintroniky, které nyní exceluje s objevy nového typu magnetismu.
Tomáš Jungwirth je rovněž jedním z mála současných tuzemských vědců, o kterém se zcela oprávněně spekuluje, že by jednoho dne mohl získat Nobelovu cenu.
Objev nové třídy magnetů, takzvaných altermagnetů, za nímž stojí Jungwirth společně s Liborem Šmejkalem a Jairem Sinovou, přepisuje učebnice fyziky. Může ale mít i zásadní vliv na technologie. Na altermagnety se totiž dají ukládat data mnohonásobně rychleji, než je dnes běžné.
Jeho práci proto bedlivě sledují i světové technologické firmy, které si slibují převratné zrychlení čipových technologií.
„O naší skupině se ví dlouho, už před dvaceti lety jsme přišli s takzvaným spinovým Hallovým jevem, který teď polovodičové firmy využívají ve vývoji svých nejpokročilejších spintronických čipů,“ vysvětluje Tomáš Jungwirth, který se dlouhodobě spintronikou zabývá.
Aktuálně řeší už svůj druhý prestižní ERC Advanced grant a kromě toho od začátku roku stojí v čele vědecké rady Nadace Neuron.
Sám Nadaci zná velmi dobře, potom, co sám dostal Cenu Neuron, se zapojil do fungování vědecké rady.
„Nabídce na vedení rady se těžko říká ne, je to čest. Jsem rád, že jsem souhlasil. Člověk by měl dělat i něco mimo rámec vlastní vědecké práce a vracet něco zpátky do komunity,“ říká Tomáš Jungwirth, který ve své nové roli nechystá žádnou revoluci.
„Neuron je nastavený velmi dobře. Obzvlášť obdivuhodné je jasné oddělení mecenášů a vědecké rady. Lidé, kteří do organizace dávají peníze, delegují jejich rozdělování z velké části na nás, na vědce. To vyžaduje velkou důvěru a já ji velmi oceňuji,“ podotýká ve velkém rozhovoru pro Forbes.
Nadace Neuron propojuje svět byznysu a vědy, jak tohle z pohledu vědce vlastně vnímáte?
Tohle propojení je důležité, ale je to jen jedna z věcí, které Neuron dělá, a myslím, že není tou nejdůležitější. Myslím, že zakladatele, mecenáše, vědeckou radu i oceněné drží pohromadě něco hlubšího.
Co to je?
Sdílené přesvědčení, že racionální myšlení a věda nejsou v rozporu s emocemi, ale naopak pomáhají tomu, aby v životě i ve společnosti převládaly pozitivní emoce. Dnes, kdy máme pocit, že se racionalita vytrácí a i díky tomu ve společnosti bují negativní emoce, to není málo.
Je to takové šíření dobré nálady. To je nejcennější věc, kterou podle mého Neuron přináší. Pokud jde o samotný vztah vědy a byznysu, tak ten je ze své podstaty komplikovaný.
Proč to tak je?
Věda musí být od základu otevřená, aby byla ověřitelná a aby fungovala jako kolektivní mozek. Byznys naopak musí být uzavřený, aby si udržel konkurenční výhodu. Jsou to dva protichůdně nastavené světy.
Neexistuje jeden vzor, jak je nejlépe propojit. Nejčistší cesta transferu obvykle znamená, že vědec opustí akademický svět a přejde na druhou stranu, do byznysu. Pokud tam zůstane více let, návrat zpátky do vědy bývá velmi obtížný, protože mezitím se posouvá celý horizont oboru.
Foto Nadace Neuron
Mění se i otevřenost vědců k přenosu poznání do byznysu?
Záleží, jak kde. Jsou instituce, kde se to daří, jako je Ústav organické chemie a biochemie Akademie věd. Ale i takové, kde to nefunguje.
A je to něco, o co je potřeba usilovat? Musí věda směřovat k praktickému využití?
Věda nemusí směřovat k okamžité praktické využitelnosti. Věda má pro lidskou společnost i jiný, hlubší smysl než to, aby tatáž generace z výsledků vědy vytěžila profit.
Spousta generací před námi dělala věci, ze kterých ony samy nic neměly a my dnes z toho těžíme. Je to pochodeň, která se předává dopředu. To je jádro, co by věda měla dělat.
Zároveň je věda základem obrovského množství inovací, které dnes považujeme za samozřejmost. A i my tady si v základním výzkumu témata nevybíráme slepě.
Jedním z důležitých vodítek jsou otevřené otázky nebo problémy současných technologií, v našem případě informačních technologií. Ale není to tak, že bychom si to vybírali s tím, aby projekt měl rychle nějakou aplikaci.
Podle čeho si tedy vybíráte?
Bývá to často motivované tím, kde se nachází nějaká technologie a kde jsou fundamentální fyzikální limity současných technologií, přes které se bez nového vědeckého poznání nedá dostat. To nás vede k volbě tématu, ale neděláme to s vizí, že projekt za pět let prodáme nějaké firmě.
Je to fundamentální otázka. Podobně to má hodně lidí v badatelském prostředí. A pokud pak nastane okamžik, kdy to někdo chce opravdu zpeněžit, tak si myslím, že tehdy musí z akademického světa vystoupit a přejít na druhou stranu.
Jak vaše skupina k takovým tématům přistupuje konkrétně?
U nás to přesně takhle funguje. Vybíráme si témata motivovaná fundamentálními limity technologií, ale zároveň chceme, aby to bylo i na hranici vědeckého poznání, aby výsledky mohly posunout i to, co stojí v základních učebnicích fyziky. Když se obojí překryje, máme z toho největší radost.
To byl případ i objevu nového typu magnetismu altermagnetismu?
Ano, začali jsme od praktického problému, kdy jsme u současných magnetických materiálů, konkrétně feromagnetů, tedy těch, co nám drží na ledničce a které lidstvo zná tisíce let, narazili na fundamentální fyzikální limity.
Využívají se v počítačových pamětech, které jsou na nich postavené, a víme, proč bude z principu obtížné je dále zrychlovat a zvyšovat jejich kapacitu a zároveň snižovat jejich energetickou náročnost. Tak jsme si položili otázku, jestli neexistuje jiný typ magnetu, který by tato omezení odstranil. A ukázalo se, že existuje.
Jaká je cesta od vědeckého objevu k technologii? V případě spintroniky to trvalo desítky let.
Přesně tak. Uvedu příklad z praxe. V poslední době začíná probíhat revoluce v mikroprocesorových čipech na úrovni základního fyzikálního principu, jak funguje jeden paměťový bit.
Základní jednotka byly dosud polovodiče, když se bavíme o srdci počítače nebo telefonu. V posledních letech se pro některé paměti na čipu začínají v masovém měřítku používat spintronické bity.
Z jakých důvodů?
Jeden důvod je, že tím, jak se součástky pořád zmenšují, polovodičům došel u některých pamětí na procesorovém čipu dech takovým způsobem, že přestaly fyzikálně fungovat. Nebo jejich výroba je na té nejmenší velikosti tak drahá, že si to ani ty největší firmy na světě nemohou dovolit.
A tak se dívaly, jestli není nějaká alternativa. V tu chvíli se ukázalo, že spintronické paměti mohou ty polovodičové úspěšně nahradit. To je velká revoluce.
Proč?
Spintronické bity fungují na úplně jiném principu než polovodiče. Ale je potřeba si uvědomit, že základní objev, který spintroniku jako obor nastartoval, pochází z roku 1988. Takže máme skoro čtyřicet let od toho základního objevu.
A teprve v posledních dvou až třech letech se spintronické součástky skutečně prosazují v masovém měřítku na mikroprocesorových čipech, ne na celém čipu, ale v některých jeho důležitých paměťových částech.
Proč to trvá tak dlouho?
K přechodu na novou technologii musí dojít ve chvíli, kdy té staré dojde dech, buď fyzikálně, nebo ekonomicky. Ale byznysový okamžik, kdy se přechod vyplatí, nedokážeme my v akademickém výzkumu předvídat ani ovlivnit.
Podívejte se na náš objev spinového Hallova jevu z roku 2004, který umožňuje nový způsob zápisu informace do spintronických pamětí na čipu.
V jaké je teď fázi?
Nyní se velmi intenzivně testuje v polovodičových firmách. Výhled je, že by to mohlo být za pět nebo deset let ve výrobě. Ale možná taky ne, pokud nenastane ten správný byznysový moment.
A altermagnety jsou teprve na úplném začátku?
Přesně tak. Jsme s nimi dnes ve stejném bodě, jako jsme byli s objevem spinového Hallova jevu v roce 2004. Z hlediska vědy je to posun. Zároveň víme, v čem by to mohlo být zajímavé pro technologie, ale jsme ještě desítky let před tím, než by se dalo poctivě říct, že to už je nějaká technologie pro komerční využití. Takhle to v našem oboru chodí.
Jak významný skok by objev altermagnetů mohl pro technologie znamenat?
Vrátím se k tomu, že jsme před deseti lety přišli s principiálně jiným typem magnetů pro spintronické paměti na čipu. Sáhli jsme po antiferomagnetech, což je vedle klasických feromagnetů druhá základní třída magnetů známá ve fyzice přes sto let, ovšem považovaná za prakticky nevyužitelnou.
My jsme ukázali, že antiferomagnety mohou v principu sloužit ke konstrukci pamětí, a to dokonce tisíckrát rychlejších než současné feromagnetické paměti. To byl vědecký průlom, nicméně některá zásadní omezení související se zápisem a čtením v antiferomagnetických pamětech se nám nepodařilo odstranit.
Objev altermagnetů byl motivován tím, že jsme chtěli zachovat všechny výhody antiferomagnetů, rychlost a že navenek nejsou magnetické a neovlivňují se tak navzájem v čipu, ale zároveň umožnit stejně efektivní způsob zápisu a čtení jako u současných spintronických pamětí založených na klasických feromagnetech. Materiály, které by takovou kombinaci vlastností umožňovaly, ale nebyly ve fyzice známé.
Ale vy jste zjistili, že to jde.
Ano, existuje třetí základní třída magnetů, která to umožňuje. To je altermagnetismus. Neznamená to ale, že se nakonec najde ze stovek materiálů, které tuto vlastnost mají, některý dostatečně vhodný pro praktické využití. To je nyní výzkum s otevřeným koncem.
Objeví se i další třídy magnetů?
Rozhodně to není konec. Již existují teoretické články, na kterých jsme se podíleli, o další základní třídě. I na jejím experimentálním ověření teď intenzivně pracujeme. A ta je pro nás vědecky ještě zajímavější, protože u altermagnetů nikdo explicitně netvrdil, že takový materiál nemůže existovat, že to přírodní zákony vylučují, spíš se o tom nevědělo.
Ale tato nová třída? O té zakladatelé kvantové mechaniky před sto lety předpokládali, že z fyzikálních principů ani existovat nemůže.
Jakou roli v tom hraje váš objev altermagnetů?
Daly nám jakýsi klíč, lepší způsob, jak rozumět různým typům magnetů. A z toho nám vyplynulo, že ta „zakázaná“ třída existovat může, a dokonce víme, ve kterých materiálech ji hledat. O to se teď taky pokoušíme. I ty mají praktický potenciál pro technologie, ale to je ještě vzdálenější budoucnost než altermagnety.
Jak prožíváte skutečnost, že váš výzkum zpochybňuje, co je v základních učebnicích fyziky?
Já jsem nikdy nebyl moc studijní typ, takže jsem spoustu věcí, které jsem měl číst na vysoké škole, prostě nečetl. A když narazíte na něco, co se zdá, že nesouhlasí se základními učebnicemi, tak vám nezbývá než si je konečně pořádně prostudovat.
Poprvé jsem se opravdu ponořil do věcí, které jsem měl číst dopodrobna už na vysoké škole. Přinutilo mě to přemýšlet o tom, jak uvažovali fyzici před padesáti nebo sto lety. Byl to taky trochu detektivní příběh. Přemýšlíte, proč altermagnety minuli.
Jaké je vysvětlení?
Víme, jaké kroky jim chyběly, ale proč tím směrem nešli, nevím. Možná jim chyběla právě ta praktická motivace ze spintronických pamětí. Určitě ale neměli k dispozici všechny sofistikované diagnostické metody a moderní přístroje, díky kterým dnes můžeme magnety studovat až na úrovni jednotlivých atomů, a dokonce jednotlivých elektronů v atomech.
Jaká je odezva vědecké komunity ve světě na váš objev?
Mimořádná a dál roste. Doufám, že zájem brzy neopadne a že si ve fyzice najde trvalé místo. A přál bych si, aby se postupně rozšířil od vědy k aplikacím.
Spolupracuje vaše vědecká skupina přímo i s průmyslem?
Nemáme za sebou zkušenosti lidí, kteří by odešli a zakládali startupy. V našem oboru to ani není realistická cesta, výrobu na úrovni nejpokročilejších čipů dělá jen několik firem na celém světě. Startup v garáži to nevyrobí. Rozhraní mezi akademickou vědou a těmito průmyslovými giganty funguje jinak.
Jak?
Dobrý příklad je Tohoku univerzita v japonském městě Sendai, která je v našem oboru spintroniky špička mezi institucemi spojujícími vědecký výzkum s vývojem směrem k praktickým aplikacím. Mají vynikající základní výzkum, ale přímo v kampusu také zařízení na úrovni srovnatelné s průmyslovými firmami pro výrobu integrovaných obvodů.
Navíc přímo v kampusu univerzity mají i synchrotron, což je urychlovač částic o obvodu v řádu stovek metrů, který funguje jako obří mikroskop pro studium nejjemnější struktury materiálů. To je strašně nákladná věc, v Evropě jich je jen několik, ale je nezbytná jak pro dnešní vědu, tak i pro vývoj nejpokročilejších informačních technologií. A tahle univerzita nám loni nabídla otevřít společnou laboratoř, kterou plně financuje.
Jak spolu souvisejí spintronika a umělá inteligence? Je spintronika cesta, která umožní rychlejší rozvoj AI?
Ty obory vznikly nezávisle, ale teď se setkávají. Umělá inteligence je revoluce, která proběhla na úrovni algoritmů, datových center a architektury počítačů. Spintronická revoluce se odehrála na úplně jiné úrovni, na elementární úrovni jednotlivých paměťových bitů v čipu.
A spintronické bity umožňují konstrukci vysokokapacitních velmi rychlých pamětí, které mohou sedět na stejném čipu, jako je výpočetní jednotka. To je velmi důležité pro aplikace umělé inteligence.
Pomáhá spintronika i v tom, jak snížit energetickou náročnost AI?
Už jen to, že paměť máte na procesorovém čipu, šetří hodně energie. K tomu přidejte zásadní fakt: rychlé polovodičové paměti, které pracují na rychlostech srovnatelných s procesorem, zapomenou vše téměř okamžitě po odpojení napájení. Musějí být pořád pod napětím.
Spintronické paměti jsou stejně rychlé, ale zároveň magnetická informace v nich zůstane uložena i bez napájení. To je další velká úspora energie a v kontextu AI datacenter a hlavně koncových mobilních zařízení to je velmi významné.
Jak se vám daří přitahovat talenty do Prahy a jak vnímáte odliv mozků z Česka?
Ve vědě se příliš nevyplatí přemýšlet v národnostních kategoriích. Důležité je mít nejlepší lidi a je jedno, jestli se narodili v Česku, nebo jinde. U nás v laboratoři je řada lidí ze zahraničí, tak to ve vědeckých skupinách ve vyspělém světě chodí.
Věda také potřebuje cirkulaci. Našim studentům, kteří jsou nadaní, aktivně pomáháme najít dobré postdocké místo v zahraničí, nesnažíme se je udržet tady. Naopak jim neumožníme, aby u nás zůstali.
Pokud se pak chtějí vrátit a ukážou, že jsou samostatní, velmi rádi je přivítáme zpátky. Stejně tak hledáme zajímavé lidi na konferencích nebo ve spolupracujících laboratořích, a nemusejí to být Češi.
A jak se to daří?
Daří se to těm skupinám, kterým se daří obecně. A co se týká atraktivity, myslím, že se sami v Česku někdy podceňujeme. Česká republika je zvenku vnímána lépe, než si myslíme. Cizinci se tu snadno domluví anglicky a platové rozdíly ve srovnání se zahraničím nejsou až tak dramatické jako dříve. Ale některé problémy přetrvávají.
Které?
Například tady nemáme výzkumné instituce, které by se objevovaly na špičce světových žebříčků. Když se řekne Harvard nebo Max Planck, všichni vědí. Bez špičkových institucí se vědecké talenty do země přitahují obtížněji.
Jak to udělat? Omezit obory, na které se soustředit, a vložit do nich víc peněz?
Modelovým příkladem je právě Japonsko, kde vybrali Tohoku jako první elitní univerzitu a významně jí navýšili rozpočet. Teď následuje Univerzita v Tokiu a má přijít několik dalších. Něco podobného by mohlo pomoci i tady.
Nejde o to, aby někdo nahoře rozhodl, který obor bude ten pravý, ale provést seriózní mezinárodní hodnocení, vytipovat instituce nebo jejich části, které patří ke světové špičce, a ty adekvátně podpořit.
Před lety schválila Rada vlády pro výzkum, vývoj a inovace vznik Českého vědecko-technologického institutu, což byl přesně takový program zaměřený na podporu špičkového výzkumu na našich vědeckých institucích. Bohužel se ale tento záměr zatím nerealizoval.
Foto Nadace Neuron
