Původně chtěl být lékařem, ale ještě na střední škole se rozhodl jít ve stopách svého otce a věnovat se fyzice. Oleksii Laguta proto stejně jako on nastoupil na univerzitu Tarase Ševčenka v Kyjevě a začal se věnovat studiu materiálů za pomoci spektroskopie. A právě výzkum v této oblasti jej nakonec přivedl do České republiky, konkrétně na CEITEC VUT v Brně, kde nyní spolu s Petrem Neugebauerem pracuje na projektech z oblasti elektronové spinové rezonanční spektroskopie (ESR).
Medicína i fyzika jsou nesmírně zajímavé a vědecky perspektivní obory. Jaký moment nakonec rozhodl, že se budete místo léčení lidí věnovat hmotě a jejímu složení?
V rodině máme hodně lékařů, takže jsem se v tom prostředí pohyboval od mala a ještě na konci základní školy, než jsem šel na střední, jsem byl přesvědčený, že se ze mě také stane lékař. Můj táta je ale fyzik, takže jsme měli doma hodně knih a encyklopedií. A jak jsem je začal všechny číst, tak jsem vlastně začal mít fyziku rád a někdy v téhle době mi došlo, že se jí chci věnovat více než lékařství. Táta na mě ale s fyzikou nijak netlačil, nechal mě najít si vlastní cestu. Ale jak je vidět, geny se zkrátka nezapřou a nyní se věnuji v podstatě stejné oblasti jako on. Táta působí na FZÚ AV ČR, takže momentálně i spolupracujeme na jednom projektu.
Na jakém?
Naše téma souvisí s kvantovými výpočty. Snažíme se najít způsob, jak kontrolovat spin elektronu pomocí elektrického pole. Jeden z neslibnějších typů qubitů, tedy jednotek kvantové informace, je v podstatě založen na spinu elektronů a obvykle je lze ovládat jen magnetickým polem. K němuž je ale třeba elektrický proud a celý proces se tím zpomaluje. My bychom proto rádi našli způsob, jak manipulovat se spinem elektronu za pomoci elektrického pole. Cože je ale zároveň dost problematické, protože spin elektrické pole nevnímá. A tak mnoho vědců, včetně nás, přemýšlí, jak najít způsob, aby na něj spin elektronu začal být citlivý.
Proč jste si ze všech možných oborů vybral zrovna atomární fyziku? Co vás na tomto oboru tak lákalo?
Tento obor v sobě spojuje dva světy, ten náš běžný a kvantový. Většina výzkumů hledí na materiály pohledem klasické fyziky, kde platí určité zákony, ale v kvantové mechanice se hraje podle úplně jiných not. Kvantová fyzika vlastně zcela odporuje téměř všem našim zkušenostem a představám o fungování světa a to mě na ní neuvěřitelně fascinuje. Proto jsem se rozhodl věnovat se právě spektroskopii a potažmo i vysokofrekvenční elektronové spinové rezonanční spektroskopii (ESR). Když totiž studujete materiály a jejich strukturu, díváte se na ty úplně základní stavební kameny hmoty a tím pádem se můžete pokusit lépe pochopit to, jak náš svět skutečně funguje.
Práce ve vědě je časově velmi náročná a předpokládám, že zkoumání kvantového světa není výjimkou. Jak tedy vypadá váš typický pracovní den?
No, v posledních několika měsících je vše hodně chaotické, protože jsem se věnoval zejména psaní zpráv k projektům a psaní návrhů na nové. Jinak ale běžně můj den začíná v devět ráno v laboratoři, kde pracuji se studenty. Buď jim pomáhám s jejich experimenty, nebo provádím své v rámci vlastních projektů. Pokud se mi v laboratoři podaří strávit alespoň půl dne, považuji to za úspěch. Když připravujeme vzorky a čekáme na jejich zchlazení na správnou teplotu -200 až -270˚C, tak mám čas na administrativu. Někdy se to ale vše sejde tak, že sedím v kanceláři u počítače déle, než stojím v laboratoři u přístrojů, protože součástí mojí práce je samozřejmě i zpracovávání a analýza naměřených dat, tedy porovnávání zjištěného s matematickými modely a simulacemi.
V rámci svého doktorského studia na univerzitě ve francouzském Lille jste se ale ještě plně nevěnoval ESR. Ke zjišťování vlastností materiálů jste využíval magnetooptickou spektroskopii, je to tak?
Ano, ve svém dizertačním projektu jsem se věnoval magnetooptickým vlastnostem křemičitých skel dopovaných bizmutem, což je perspektivní materiál pro optická vlákna a lasery v blízké infračervené spektrální oblasti. Asi každý zná internet vedený optickým kabelem, přenos dat za pomoci optických vláken je asi nejběžnější aplikace. V mém případě šlo ale spíše o základní výzkum, kdy jsem se spolu s dalšími lidmi v týmu zabýval například tím, zda má náš materiál vhodné vlastnosti pro takový přenos. Věnoval jsem se ale také objasnění původu emisních pásů zodpovědných za stimulovanou emisi záření v blízké infračervené oblasti.
Jak jste se vlastně dostal od magnetooptické spektroskopie k oboru elektronové spinové rezonanční spektroskopie?
Po doktorátu jsem hledal místo jako „postdoc“ a tak jsem se nejprve zeptal kolegů a známých, zda by o něčem zajímavém nevěděli. A dozvěděl jsem se o možnosti spolupracovat s Petrem Neugebauerem na univerzitě ve Stuttgartu. Následně jsme se spolu sešli, abych se dozvěděl o jeho projektech z oblasti elektronové spinové rezonanční spektroskopie více. O této metodě jsem samozřejmě věděl a do určité míry ji používal i v rámci svého doktorského projektu. A protože mě jeho výzkum zaujal, ocitl jsem se v Německu a začal se spolu s ním věnovat metodě ESR, přestože zejména práce při terahertzových frekvencích pro mě byla v podstatě nová. V roce 2019 jsem s ním přesídlil do Brna na CEITEC VUT a v rámci výzkumné skupiny Magneto-optické a THz spektroskopie, kterou Petr vede, se snažím kromě jiného určitým způsobem vylepšit ESR metodu na THz frekvencích a přiblížit se i vědeckým komunitám mimo velké ESR laboratoře. Protože ne každé pracoviště si může z finančních důvodů dovolit pracovat s ESR o vysokých frekvencích, ty přístroje jsou velmi drahé a vyžadují k obsluze vyškolený personál.
Proto jste posledních pět let pracoval na vývoji spektrometru FRASCAN II, který nyní získal ocenění Zlatý AMPER 2025?
V podstatě ano, protože tento elektronový spinový spektrometr s frekvencí 329 GHz může významně rozšířit možnosti chemických a biologických laboratoří využívajících spektroskopii pomocí nukleární magnetické rezonance (NMR). Zaprvé přináší do těchto laboratoří vysokofrekvenční ESR za zlomek ceny, protože nejdražší položka, supravodivý magnet, je již k dispozici jako součást NMR spektrometru. Za druhé umožňuje současné měření ESR a NMR kapalných vzorků. To je nezbytnou součástí tzv. dynamické nukleární polarizace (DNP) – nadějně vypadající techniky, která by mohla vylepšit NMR. Kromě toho může tento inovativní spektrometr provádět tzv. rychlé frekvenční skenování rychlostí až 10^16 Hz za sekundu. A právě jeho jedinečnost a inovativnost pravděpodobně přesvědčila odbornou porotu veletrhu AMPER, i když na rozdíl od jiných exponátů, které mohou jít rovnou na trh, je náš spektrometr zatím ve fázi funkčního prototypu.
Díky možnostem výše zmíněné DNP určitě najde své místo v biologických laboratořích, protože je mimořádně vhodný třeba pro studium vlastností proteinů v jejich přirozeném prostředí. Proteiny jsou velké molekuly s hodně složitou strukturou. Běžné metody zkoumání jsou poměrně zdlouhavé a mají co do citlivosti své limity. Zesílením NMR signálů se celá metoda nejen zrychlí, ale zároveň se právě zvýší i její citlivost. Takže se pak přístroj dá použít na širší paletu vzorků. A díky funkci rychlého frekvenčního skenování zase můžeme studovat vlastnosti elektronové spinové relaxace na mikrovlnných frekvencích kolem 329 GHz.
Spektrometr FRASCAN II pracuje na zhruba stokrát vyšších frekvencích, než jaké se používají třeba v mobilních telefonech. Předpokládám, že čím vyšší frekvence, tím vyšší efektivita, a tedy i lepší výsledky, je to tak?
Ano, je to tak. Obvykle pokud ve spektroskopii přejdete na vyšší frekvence, zvyšuje se účinnost a citlivost přístroje. Můžeme s ním pak měřit menší či výrazně zředěné vzorky, což je kriticky důležité zejména v již zmíněném výzkumu z oblasti strukturální biologie. Čímž se vracím tak trochu na začátek. Taková zařízení jsou náročná jak finančně, tak personálně. A kromě toho navíc existují materiály, které zkrátka nemůžeme měřit na nižších frekvencích, protože vůči nim nejsou citlivé. Jinak řečeno, pokud vzorky z těchto materiálů podrobíme zkoumání na nízkých frekvencích, nezjistíme vůbec nic. Proto v některých případech vědci ani nemají jinou možnost a musí pracovat s ESR o vysokých frekvencích a pokud nemají k dispozici takový přístroj, je to pro jejich výzkum velká komplikace.
Teď jsem hodně zvědavá. Jaké materiály nelze zkoumat jinak než za použití vysokofrekvenční ESR?
Jedná se například o jednomolekulové magnety – organické molekuly s vloženým jedním nebo více paramagnetickými ionty (přechodných kovů nebo vzácných zemin). Pod určitou teplotou, říkáme jí blokovací teplota, se tyto molekuly díky magnetickým interakcím chovají jako magnety, odtud jejich název, což znamená, že mají magnetický moment i při nulovém magnetickém poli. Nad touto teplotou vykazují vlastnosti normálních paramagnetů. A nyní se dostávám k jádru pudla. Ta myšlenka je využít tyto molekuly v zařízeních pro ukládání dat. Vzhledem k tomu, že každá molekula dokáže uložit jeden bit informace, můžeme očekávat stokrát větší kapacitu než u běžných pevných disků. Hlavní komplikace je, že vědci stále nemohou dosáhnout blokovacích teplot vyšších než 100 K (-173˚C). Zajímavé je, že jednomolekulové magnety vykazují také kvantové jevy, které z nich činí slibné kandidáty na qubity. No a tím se dostáváme k podstatě – kvantové bity z takových molekul lze studovat pouze pomocí vysokofrekvenčních zařízení ESR.
Pojďme se ještě na skok vrátit k spektrometru FRASCAN II. Metodou rychlého frekvenčního skenování s ním studujete vlastnosti elektronových spinů. V čem je ale vaše metoda tak unikátní?
Zjednodušeně řečeno, spektrometr FRASCAN II překonává jeden velmi omezující technický problém – nemáme dostatečný mikrovlnný výkon, abychom mohli provádět pulzní experimenty na frekvenci 329 GHz. Víte, při studiu dynamických vlastností elektronového spinu obvykle aplikujeme na vzorek velmi silné (stovky wattů) a krátké pulzy mikrovln a sledujeme odezvu spinů. Naše zařízení místo toho používá rychlé rozmítání excitační mikrovlnné frekvence přes ESR signál. A když frekvenční rozmítání dosáhne dostatečně vysoké rychlosti, objeví se ve spektru ESR zřetelné oscilace, které nesou informaci o době relaxace spinu elektronů. Tyto informace jsou důležité v rámci zkoumání vhodných kandidátů na qubity, kdy hledáme takové molekuly, u nichž je jedním z parametrů relaxační čas v intervalu mikro až milisekund. A to je možné i při mikrovlnném výkonu pouhých několika miliwattů.
Zjednodušeně řečeno můžeme s naším zařízením za pomoci mikrovlnných pulzů budit elektrony při daleko menším mikrovlnném výkonu, protože pracujeme na frekvenci 329 GHz v magnetickém poli 11,7 T. Což z něj dělá pohodlný a snadno použitelný nástroj. Metoda využívá rychlého rozmítání budící mikrovlnné frekvence po ESR vedení. A když frekvenční rozmítání dosáhne dostatečně vysoké rychlosti, objeví se ve spektru ESR zřetelné oscilace, které nesou informaci o době relaxace spinu elektronů. Tyto informace jsou důležité v rámci zkoumání vhodných kandidátů na qubity, kdy hledáme takové molekuly, u nichž je jedním z parametrů relaxační čas v intervalu mikro až milisekund.
Povídáme si o qubitech, které jsou stěžejní v kvantových počítačích. Jak vlastně vidíte naši „kvantovou“ budoucnost?
To je dobrá otázka. V oblasti kvantové fyziky stále zůstává několik nevyřešených otázek a je těžké dnes odhadnout kdy a zda vůbec budou zodpovězeny. Je klidně možné, že nakonec někdo přijde ještě s úplně jinou myšlenkou, která bude ucelenější než současná kvantová teorie. Když se na to podíváme z úhlu kvantových počítačů, které jsou vlastně aplikací této teorie, tak tam si myslím, že se během příštích desetiletí dočkáme průlomu. Zejména v kombinaci s využíváním umělé inteligence.
Pokud popustím uzdu fantazii, tak by ale takové spojení mohlo znamenat i ohrožení lidstva či jeho zánik. Neobáváte se takového scénáře?
Já si myslím, že to spojení samo o sobě není ani dobré, ani špatné. Prostě je nabíledni a ti, kdož jej udělají dobrým či špatným, jsou vždycky lidé. Dobrým příkladem je třeba jaderná energie. Můžeme ji využít k dobrým účelům například pro výrobu elektrické energie, ale také ji můžeme v podstatě zneužít k výrobě atomových bomb a zabíjení. Navíc kvantové počítače mají více méně velmi ohraničenou využitelnost, s níž jde ruku v ruce navíc i naprosto astronomická cena. Tato technologie je vhodná pro řešení určitých úkolů, typicky složité matematické operace, ale pro širokou veřejnost je a ještě dlouho bude naprosto nepoužitelná. Neříkám, že se to do budoucna nemusí změnit, ale nejsem si jistý, zda se tím teď nějak trápit.
Přemýšlel jste někdy o tom, že byste se v oblasti spektroskopie posunul i do trochu jiných vod?
Jako vědec nikdy nezůstávám na místě, pořád se pohybuji a snažím se svá témata rozšiřovat a věnovat se problematice z různých úhlů. Ale že bych se přesunul třeba do live science a pracoval v rámci ESR s biologickými vzorky, o tom neuvažuji. Už jen proto, že mám rozpracované další projekty spojené s kvantovými technologiemi. O jednom jsem již hovořil, jde o řízení spinu elektronů za pomoci elektrického pole, na němž spolupracuji se svým otcem.
Zdroj: CEITEC VUT, autorka: Kristina Blűmelová