Współpraca owocuje – odkrycie laureata FNP w Advanced Functional Materials

Dodano: :: Kategorie: Aktualności, Sukcesy naszych laureatów
-A A+

Prof. Tomasz Klimczuk z Politechniki Gdańskiej, laureat programów FNP, wraz z badaczami z Polski i USA, odkrył dwa nowe związki nieorganiczne, które mimo swojej niskowymiarowej i niecentrosymetrycznej struktury wykazują nadprzewodnictwo. Odkrycie to, wnoszące nową wiedzę zarówno do dziedziny fizyki, jak i chemii, zostało opisane w czasopiśmie Advanced Functional Materials. O istocie dokonania, gdańsko-amerykańskiej współpracy i przepisie na sukces prof. Tomasz Klimczuk opowiada w wywiadzie dla FNP.

FNP: Kto brał udział w badaniach, których wyniki zostały opisane na łamach Advanced Functional Materials?

Prof. Tomasz Klimczuk: W badaniach uczestniczyły cztery zespoły: z Politechniki Gdańskiej (Karolina Górnicka, Tomasz Klimczuk), Akademii Górniczo-Hutniczej (Bartłomiej Wiendlocha), Uniwersytetu w Princeton (Loi T. Nguyen, Xin Gui, Robert Cava) i Uniwersytetu Rutgersa (Weiwei Xie). Pomysł projektu, opracowanie metody syntezy i pomiar właściwości fizycznych to zasługa Karoliny Górnickiej – doktorantki z mojego zespołu.

Na czym polega istota dokonanego odkrycia?

Odkryte przez nas materiały są nadprzewodnikami ze stosunkowo wysoką jak na nadprzewodniki „klasyczne” temperaturą krytyczną wynoszącą 7 K i 5 K. Ich wyjątkowość polega na tym, że krystalizują w nowym typie struktury krystalicznej. Przy niskowymiarowej i niecentrosymetrycznej strukturze wykazują nadprzewodnictwo, które można nazwać niekonwencjonalnym.

Nadprzewodniki lubią wysoko symetryczne struktury i na palcach dwóch rąk można pewnie policzyć nadprzewodniki występujące w układzie jednoskośnym (o niskiej symetrii). Ale to nie wszystko. Własności fizyczne znakomitej większości nadprzewodników dają się opisać przy pomocy dobrze ugruntowanego modelu BCS, który zakłada, że struktura krystaliczna jest centrosymetryczna, tzn. posiada środek inwersji. Tym samym nasze dwa materiały są w pewnym sensie wyjątkowe. Znanych nadprzewodników niecentrosymetrycznych jest pewnie mniej niż 100 i często obserwujemy w nich interesującą fizykę. Tak jest i w tym przypadku. Nie wchodząc w szczegóły, można powiedzieć, że niecentrosymetryczność i silne sprzężenie spin-orbita razem powodują, że wyznaczone przez nas pole krytyczne (pole magnetyczne które zabija stan nadprzewodnictwa) przekracza pole określone przez tzw. limit Pauli’ego.

Dlaczego tak się dzieje?

Jest kilka możliwości. Jedną z nich jest potencjalna obecność trypletowej składowej w funkcji falowej opisującej pary Coopera. Pary Coopera to elementarne nośniki prądu w nadprzewodniku, będące kwantowo „połączoną” parą elektronów. W nadprzewodnikach klasycznych pary mają naturę singletową, tzn. przeciwnie skierowane spiny (i momenty magnetyczne). Pole magnetyczne dąży do równoległego ustawienia spinów, zatem powoduje niszczenie par. W nadprzewodniku niecentrosymetrycznym z silnym sprzężeniem spin-orbita możliwe jest mieszanie symetrii par Coopera, mogą być po części singletowe i po części trypletowe, co powoduje zwiększenie ich „odporności” na zewnętrzne pole magnetyczne.

Z pewnością potrzebne będą wyrafinowane techniki, takie jak spektroskopia mionów, badania jądrowego rezonansu magnetycznego, które pozwolą zbadać symetrię stanu nadprzewodzącego. 

Jak długo były prowadzone badania?

To był jeden z tych długich projektów. Wszystko trwało blisko dwa lata.

Co było najtrudniejsze, co stanowiło największe wyzwanie?

Największym wyzwaniem było chyba rozwiązanie struktury krystalicznej, choć równie trudne było określenie optymalnych warunków syntezy. Synteza tych związków wymaga wysokiej temperatury, wysokiej, dynamicznej próżni, a także znalezienia nominalnych proporcji substratów. Oba te problemy w jakiś sposób się wiążą. Bez znajomości struktury krystalicznej, synteza czystych próbek nie miałaby szansy powodzenia. Z drugiej strony bez względnie czystego materiału, krystalograf nie miałby materiału do pracy.

Gdzie wyniki Państwa badań mogą zostać zastosowane?

To trudne pytanie. Nasze badania mają charakter badań podstawowych i trudno jest znaleźć ich natychmiastowe zastosowanie. W chwili obecnej nadprzewodniki są stosowane powszechnie jedynie w przyrządach do obrazowania magnetycznego (tzw. MRI), które można znaleźć w dowolnym dużym szpitalu. Wierzymy, że każdy nowy nadprzewodnik to kolejny krok w kierunku materiałów, które będą mogły zastąpić np. kable energetyczne, a tym samym obniżyć koszty przesyłu energii elektrycznej. Sądzimy, że nasz eksperyment zainteresuje i zainspiruje chemików, inżynierów materiałowych i fizyków ciała stałego.

Badania były prowadzone we współpracy z naukowcami z Uniwersytetu w Princeton, z grupą prof. Roberta Cavy. Jaka była jego rola w tych badaniach?

Profesor Cava jest niekwestionowanym liderem wśród materiałowców – jego prace były cytowane ponad 70 tys. razy, a wskaźnik Hirscha wynosi 125 (wg. Bazy Web of Science). Jest nie tylko chemikiem ciała stałego, jest też krystalografem. Pierwszy model struktury, który dostaliśmy od prof. Weiwei Xie i jej doktoranta (Xin Gui), nie przeszedł weryfikacji za pomocą analizy dyfraktogramów proszkowych. Sugerowana przez profesora zmiana grupy symetrii okazała się być strzałem w dziesiątkę. W Princeton mierzone było też ciepło właściwe do temperatury 0.4 K, co nie jest możliwe w moim laboratorium.

Pana współpraca z prof. Cavą trwa już 17 lat. Jak się ona rozpoczęła? Jak zmieniała się przez ten czas i jak udało się ją tak długo utrzymać?

Zaczęło się od wysłania emaila z prośbą o przyjęcie mnie na roczny staż podoktorski. Jednak bez wyraźnych naukowych sukcesów i listu popierającego, los mojej aplikacji był skazany na porażkę. Zapytałem wówczas, czy prof. Cava zgodziłby się na przyjazd finansowany ze środków zewnętrznych (miałem na myśli FNP). Pozytywna odpowiedź przyszła jeszcze tego samego dnia.

Do Princeton pojechałem w ramach programu Kolumb FNP*. Rok stażu zamienił się na dwa lata, potem był powrót do Polski i pisanie habilitacji. Były też krótkie, dwutygodniowe wyjazdy możliwe także dzięki programowi Kolumb. Potem w miarę regularnie spotykałem się z prof. Cavą, przyjeżdżając do niego z Los Alamos, gdzie pracowałem jako post-doc. I wreszcie w roku 2014 zostałem laureatem programu Mentoring FNP, dzięki któremu mogłem regularnie spotykać się i rozmawiać z prof. Cavą. Dzielił się on ze mną wiedzą na temat jego sposobu zarządzania grupą badawczą, a także specyfiką zarządzania wydziałem tak prestiżowej uczelni, jak Uniwersytet w Princeton. Co ważne, i czego moim zdaniem brakuje w kształceniu doktorantów w Polsce, dyskutowaliśmy wnioski grantowe od strony aplikanta i recenzenta. Niejako przy okazji prowadziłem prace badawcze, w tym opracowałem metodę syntezy ogromnej (ponad 100 związków) rodziny skuterudytów. W skrócie, można powiedzieć, że nasza współpraca ewoluowała od relacji szef – post-doc poprzez mentor – mentorowany do relacji przyjacielskich.

Warto chyba wspomnieć, że w laboratorium profesora Cavy odbierany jestem jako fizyk i studenci (chemicy) chętnie przychodzą do mnie z pytaniami jak interpretować wyniki, co jeszcze domierzyć, jak analizować dane. Mam naprawdę wielką frajdę uczyć ich trików, które podpatrzyłem na stażu w Los Alamos albo w Instytucie Pierwiastków Transuranowych w Karlsruhe.

Dzięki grantom HARMONIA NCN, realizowanych od 2017 r., współpraca z profesorem Cavą stała się dwukierunkowa. Zdarza się, że próbki z Princeton są mierzone na Politechnice Gdańskiej. Poza tym profesor Cava wielokrotnie odwiedzał naszą uczelnię, gdzie z przyjemnością pracuje z polskimi studentami. W roku 2014 otrzymał tytuł doktora honoris causa Politechniki Gdańskiej.

Jaka była rola FNP w nawiązaniu współpracy z prof. Cavą i Uniwersytetem w Princeton?

Najkrócej mówiąc – kluczowa. Nie mam wątpliwości, że bez wsparcia FNP, mój wyjazd do Princeton nie doszedłby do skutku.

Jaki jest Pana przepis na naukowy sukces?

Nie przestawać marzyć. Pielęgnować w sobie zachowanie dziecka, które się dziwi, zadaje pytania i cieszy z najdrobniejszych sukcesów. I jeszcze jedno… znaleźć swoją drogę. Sensownym jest podążanie za innymi, ale sukces odnosi zwykle ten, któremu udaje się być przodownikiem, bo „The view only changes for the lead dog”(Norman O. Brown).

Jakich wskazówek mógłby Pan udzielić młodym naukowcom?

Współpracować! Czasem Twój projekt stoi w miejscu ponieważ nie wiesz co odkryłeś i bez pomocy np. krystalografa J,  projektu nie uda się skończyć.

Nie bać się wyjść poza strefę komfortu, koniecznie wyjechać po doktoracie na staż post-doc. To nie jest przywilej, to konieczność. Spojrzenie z daleka pozwala nabrać dystansu, poznania innych techniki i co niezwykle istotne daje szansę na zbudowanie własnej sieci naukowych powiązań.

Dziękujemy za rozmowę.

Prof. dr hab. inż. Tomasz Klimczuk jest fizykiem, specjalizuje się w fizyce ciała stałego, nadprzewodnictwie wysokotemperaturowym oraz fizyce materii skondensowanej. Pracuje na Wydziale Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej, a także w Centrum Materiałów Przyszłości Politechniki Gdańskiej. Jest laureatem programów START, KOLUMB i MENTORING Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.

*Program KOLUMB  Fundacji na rzecz Nauki Polskiej był realizowany w latach 1995 – 2012 i oferował stypendia na zagraniczne staże podoktorskie.

Zdjęcie: Prof. Tomasz Klimczuk_fot. Jason Krizan_archiwum prywatne

Cofnij