Martin Orendáč získal ocenenie Vedec roka SR v kategórii Vedec roka/Vedkyňa roka za výskum v oblasti molekulového a nízkorozmerného magnetizmu.
Vedec roka 2023 prof. Ing. Martin Orendáč, DrSc. Grafika: CVTI SR
Vedcom roka za rok 2023 sa stal prof. Ing. Martin Orendáč, DrSc., z Univerzity Pavla Jozefa Šafárika v Košiciach. Ocenenie, ktoré si prevzal počas slávnostného podujatia, mu odovzdal minister školstva, výskumu, vývoja a mládeže SR Tomáš Drucker.
Profesora Orendáča vybrali členovia hodnotiacej komisie spomedzi 48 nominovaných za jeho významný vedecký prínos v oblasti molekulového a nízkorozmerného magnetizmu, multidisciplinárnej oblasti, ktorá spája fyziku, chémiu, materiálovú vedu a kvantové technológie, a za rozsiahlu publikačnú činnosť v prestížnych karentovaných časopisoch a grantovú úspešnosť.
Okrem toho prispel Martin Orendáč aj k rozvoju experimentálnej základne v oblasti veľmi nízkych teplôt, zaviedol metodiku elektrónovej paramagnetickej rezonancie na Univerzite Pavla Jozefa Šafárika v Košiciach a vedie oddelenie fyziky nízkych teplôt, ktorého infraštruktúru využívajú aj externí používatelia zo Slovenska a zahraničia.
Experimentálny fyzik má oveľa väčšiu šancu uspieť v tejto oblasti výskumu, ak má okolo seba tím kvalitných kolegov (…). Mám šťastie, že práve takýchto ľudí mám vo svojom okolí.
Portálu VEDA NA DOSAH poskytol profesor Orendáč rozhovor, v ktorom sa dočítate, ako prebiehajú experimenty v blízkosti absolútnej nuly, aké sú možnosti využitia skúmaných javov v technickej praxi, ktoré zahraničné pracovisko naňho urobilo najväčší dojem, ale aj to, akým problémom čelí slovenská vedecká komunita, a mnoho iného.
O výskume v oblasti veľmi nízkych teplôt a magnetických polí
Získali ste ocenenie Vedec roka za významný vedecký prínos v oblasti molekulového a nízkorozmerného magnetizmu. Ako by ste laikovi vysvetlili, čo je predmetom vášho výskumu?
Náš vedecký tím sa zaoberá experimentálnym štúdiom vybraných magnetických materiálov v extrémnych podmienkach. Pracujeme predovšetkým v oblasti veľmi nízkych teplôt a magnetických polí. Objekty nášho skúmania majú malé rozmery, niektoré naše aparatúry dokážu pracovať s individuálnymi atómami. Ochladenie nami skúmaných látok na teploty blízke absolútnej nule je kľúčové, pretože ak chceme pozorovať typ magnetickej odozvy, ktorá nás zaujíma, musíme potlačiť nežiaduce vibrácie atómov v látke. Najjednoduchší spôsob, ako to urobiť, je práve ochladenie látky na veľmi nízku teplotu.
Magnetické materiály, ktoré sú predmetom nášho záujmu, sú vlastne molekuly, ktoré vykazujú magnetickú odozvu, alebo ich usporiadania, ktoré si môžeme predstaviť ako retiazky či sieťky. Vďaka svojmu usporiadaniu a predovšetkým vďaka skutočnosti, že pre ne platia zákonitosti kvantovej mechaniky, majú výrazne odlišné vlastnosti od magnetických látok, s ktorými sa stretávame v bežnom živote. Snažíme sa nájsť v týchto usporiadaniach nové javy, pochopiť ich fyzikálnu podstatu a navrhnúť ich využitie v technickej praxi.
Čo pre vás znamená ocenenie Vedec roka?
Je to pre mňa ocenenie, výraz uznania a záväzok súčasne. Rozhodne vnímam toto nevšedné ocenenie ako ocenenie celého nášho tímu. Svet v blízkosti absolútnej nuly je veľmi pomalý a príroda v týchto podmienkach len veľmi neochotne odhaľuje informácie o procesoch, ktoré sú predmetom nášho štúdia. Experimenty sú veľmi dlhé a technicky náročné.
Experimentálny fyzik má oveľa väčšiu šancu uspieť v tejto oblasti výskumu, ak má okolo seba tím kvalitných kolegov ochotných a schopných spolupracovať. Mám šťastie, že práve takýchto ľudí mám vo svojom okolí. Nielenže sú to vynikajúci odborníci, ale dokážu aj vytvárať priateľskú a férovú atmosféru, v ktorej sa tvorivej činnosti veľmi darí.
Vedec roka prof. Ing. Martin Orendáč, DrSc. s ocenením. Autor: Marián Zelenák, CVTI SR
Oblasť vášho výskumu v sebe spája fyziku, chémiu, materiálovú vedu a kvantové technológie. Ktorá z menovaných vedných disciplín je vám najbližšia?
Mne je najbližšia fyzika, pretože sa jej dlhodobo venujem najviac. Avšak každá z vedných disciplín, ktorú ste uviedli, je svojím spôsobom atraktívna. Keď pracujete v interdisciplinárnom tíme, postupne v primeranej miere prenikáte aj do oblastí svojich kolegov, oboznamujete sa s problémami, ktoré riešia.
Fyziku považujem za krásnu akademickú disciplínu na spoznávanie prírody okolo nás.
A práve v diskusiách s kolegami s iným odborným profilom často vznikajú námety na spoločnú výskumnú prácu, ktorú interdisciplinárny tím zvládne oveľa jednoduchšie, ako keby pozostával napríklad výhradne z fyzikov. Takže navzájom si takto odovzdávame poznatky zo svojich oblastí, čo považujem za veľmi obohacujúce. Pokiaľ to v budúcnosti bude možné, rád by som posunul náš tím viac smerom ku kvantovým technológiám, čo si však bude vyžadovať rozšírenie technologického zázemia.
Venujete sa predovšetkým štúdiu magnetických vlastností nekonvenčných magnetických systémov v extrémnych experimentálnych podmienkach. Aké prístroje a merania využívate pri svojej práci?
Pre štúdium magnetických vlastností systémov, ktorým sa venujeme, sú kľúčové dostatočne nízke teploty, pretože nám veľmi prekáža tepelný pohyb atómov v látke. Máme preto zariadenia, napríklad rozpúšťacie refrigerátory, ktoré dokážu vytvoriť a udržať teploty niekoľko tisícin stupňa nad absolútnou nulou. Pri týchto teplotách skúmame teplotné, magnetické a transportné vlastnosti rôznych systémov.
Martin Orendáč s kolegom Róbertom Tarasenkom pri práci. Zdroj: Archív Martin Orendáč
Niektoré magnetické merania sú veľmi citlivé, používame preto magnetometre, ktoré dokážu zachytiť aj veľmi slabé magnetické polia, ktorých zdrojom môžu byť aj naše orgány, a to srdce alebo mozog. Keďže sa zaoberáme kvantovými systémami, dôležitú časť meraní predstavuje určenie dovolených energetických hladín, na čo sa využívajú rezonančné techniky pri nízkych teplotách. Pri príprave a prvotnej charakterizácii nami skúmaných systémov sa používa širší metodický park, napríklad röntgenovská difrakcia, litografické techniky a pod.
Potenciálne využitie v praxi
Aké sú potenciálne aplikácie vášho výskumu v praxi? Môžu výsledky vašich výskumov viesť k vývoju nových technológií alebo zlepšiť už existujúce?
Materiály, ktoré skúmame, majú svoj primárny význam pre základný výskum. To znamená, že prinášajú nové poznatky o magnetických procesoch v rozličných kvantovomechanických systémoch. Majú však aj vysoký aplikačný potenciál. Ak sa pozrieme napríklad na vývoj počítačov, môžeme v ňom rozlíšiť niekoľko období, keď ľudia konštruovali najskôr mechanické počítacie stroje, ktoré boli neskôr nahradené elektrickými. Po objavení tranzistora došlo potom ku konštrukcii počítačov využívajúcich práve tranzistory, resp. integrované obvody, ktoré používame dodnes. Prechod z jedného obdobia do druhého bol možný len po zvládnutí nového fyzikálneho javu, ktorý bol následne využitý na uchovanie a spracovanie informácie.
Nami skúmané usporiadania nájdu veľmi pravdepodobne svoje využitie v ďalšej generácii procesorov v tzv. kvantových počítačoch, ktorých činnosť sa bude opierať práve o kvantovú mechaniku.
Výskum v oblasti molekulového a nízkorozmerného magnetizmu ponúka práve takéto nové javy a koncepcie. Jednou z veľkých výziev v tejto oblasti výskumu je napríklad snaha zapísať informáciu do jedinej molekuly a následne skonštruovať pamäť s extrémne vysokou hustotou záznamu. Nami skúmané usporiadania nájdu veľmi pravdepodobne svoje svoje využitie v ďalšej generácii procesorov v tzv. kvantových počítačoch, ktorých činnosť sa bude opierať práve o kvantovú mechaniku.
Ako ďalšie aplikácie možno uviesť využitie v zelených technológiách, konkrétne pri čistení odpadových vôd pomocou magnetických nanorobotov, uchovávanie kvapalného vodíka či alternatívneho spôsobu chladenia alebo klimatizácie bez použitia prostrediu škodlivých pracovných médií.
Martin Orendáč s kolegom Vladimírom Tkáčom. Zdroj: Archív Martin Orendáč
Vo svojom výskume sa zaoberáte aj spinovým ľadom. Čo presne predstavuje pojem spinový ľad? Kde sa už v súčasnosti používa a kde by sa mohol v budúcnosti využívať?
Spinový ľad je veľmi nevšedný magnetický systém majúci podobné vlastnosti ako bežný vodný ľad, ktorý poznáme z prírody. Vo vodnom ľade, hoci ho ochladíme hlboko pod bod mrazu, sa molekuly vody v jeho kryštalickej štruktúre môžu rôznym spôsobom natáčať. Možných spôsobov je veľmi veľa a ľad „nevie“, ktorú možnosť si má vybrať, preto predstavuje frustrovaný systém.
Spinový ľad je magnetickou analógiou vodného ľadu, keď polohe molekuly vody vo vodnom ľade zodpovedá orientácia magnetického momentu v spinovom ľade. Spinový ľad zohral veľmi podstatnú úlohu pri hľadaní tzv. Diracovho monopólu. Fyzici vedia už dlho o istej nesymetrii v prírode, keď má v magnetizme ľubovoľne malý magnet pevne spojený severný a južný pól, zatiaľ čo v elektrine môžu kladné a záporné náboje jestvovať nezávisle od seba. Jedným z fyzikov, ktorých uvedená nesymetria vyrušovala, bol P. A. M. Dirac. V roku 1931 predpovedal existenciu nezávislého magnetického náboja, Diracovho monopólu.
Od tých čias ho fyzici neúspešne hľadajú v rozličných objektoch na našej Zemi aj mimo nej. Ukázalo sa, že práve magnetické vlastnosti spinového ľadu možno vysvetliť pomocou objektov, ktoré majú veľmi blízko k hľadaným Diracovým monopólom. V súčasnosti sa vedci zaoberajú otázkou možného využitia Diracových monopólov zo spinového ľadu pri konštrukcii alternatívnych typov pamätí, podľa mojich znalostí je však reálne praktické využitie ešte ďaleko.
O medzinárodnej spolupráci aj výskume na Slovensku
Vo svojej vednej oblasti patríte medzi svetovú špičku. Zasadili ste sa o rozvoj medzinárodnej spolupráce s renomovanými pracoviskami v Európskej únii, ako aj v USA a Číne. Ktoré zahraničné pracovisko na vás urobilo najväčší dojem?
Najväčším dojmom na mňa zapôsobila Floridská univerzita v meste Gainesville v Spojených štátoch, kde som mal možnosť pracovať v rámci niekoľkých spoločných projektov, financovaných National Science Foundation. Podľa mojich skúseností sú pre Američanov práca a kariéra veľmi podstatné, čo sa odráža napríklad v dravosti študentov pri ich snahe získať nové vedomosti a experimentálne zručnosti, v pracovnom nasadení kolegov a ich snahe o maximálnu efektivitu. Pritom tí ľudia navonok pôsobia veľmi ležérnym a uvoľnených dojmom, čo bolo aspoň pre mňa spočiatku trochu mätúce. Vedia však oceniť nápad a hodnotný výsledok.
Na Slovensko by som rozhodne preniesol spoločenské povedomie o potrebnosti a užitočnosti vedy pre ďalšie napredovanie našej krajiny.
Naša spolupráca s profesorom M. W. Meiselom zo zmienenej univerzity trvá už vyše dvadsať rokov. Veľmi si vážim skutočnosť, že postupne prerástla do osobného priateľstva. Ak mám byť úprimný, Amerika nie je krajinou, kde by som chcel trvalo žiť, avšak čo sa týka pracovných podmienok, na pracoviskách, kde som mal možnosť sa pohybovať, ich dokážu vytvoriť na výbornej úrovni.
Profesor Martin Orendáč na pracovisku. Zdroj: Archív Martin Orendáč
V roku 2022 ste boli medzi 146 vynikajúcimi posudzovateľmi rukopisov publikovaných v prestížnych časopisoch skupiny Physical Review, medzi ktorých vás vybrala Americká fyzikálna spoločnosť. Bol medzi nimi výskum, o ktorom ste si povedali, že by ste na ňom rád participovali?
Určite áno. Fyziku považujem za krásnu akademickú disciplínu na spoznávanie prírody okolo nás, ktorej pôvab tkvie aj v skutočnosti, že ak vyriešite problém v jednej jej oblasti, napríklad v magnetizme, môže to byť prínosné i pre iné oblasti, napríklad hydrodynamiku, štúdium rastu kryštálov a do istej miery aj pre opis správania skupín ľudí.
Pre participáciu v ďalších oblastiach by bolo problémom ich kvalifikované zvládnutie tak, aby v nich bolo možné reálne tvorivo pracovať. Jednou z oblastí, kde by bolo možné sa posunúť, sú už zmienené kvantové technológie, keďže niektoré z nich s magnetizmom veľmi úzko súvisia, ktoré sú v časopisoch skupiny Physical Review zastúpené.
Aké sú v porovnaní so zahraničím podmienky na typ výskumu, ktorý robíte na Slovensku? Čo by ste najradšej preniesli na Slovensko, ak by to bolo možné?
Ak dovolíte, začnem druhou časťou vašej otázky. Na Slovensko by som rozhodne preniesol spoločenské povedomie o potrebnosti a užitočnosti vedy pre ďalšie napredovanie našej krajiny. Napríklad práve v Spojených štátoch je podľa mojich skúseností prínos vedy pre spoločnosť vnímaný výrazne odlišne ako u nás. Vyslovím svoj osobný názor. Na Slovensku zostávajú ľudia, ktorí sa reálne zaoberajú vedeckým výskumom, skôr na periférii záujmu autorít a spoločnosti.
Od tohto nelichotivého faktu sa odvíjajú pretrvávajúce neduhy slovenskej vedy, na ktoré sa naša vedecká komunita opakovane snaží poukazovať – dlhodobé podfinancovanie, narastajúca byrokratická záťaž tvorivých pracovníkov, odchod mladých talentovaných kolegov do zahraničia často bez motivácie vrátiť sa späť. Na podmienky vedeckého výskumu teda v našej oblasti musím, hoci veľmi nerád, nazerať ako na značne zväzujúce.
(zh)
