Výzkum v principiálně nové oblasti tzv. valleytroniky zaujal porotu výročních cen Nadačního fondu Bernarda Bolzana. V oblasti fyziky byl za rok 2025 oceněn RNDr. Adam Gindl z Katedry chemické fyziky a optiky.
Fyzika ho bavila ještě dříve, než vůbec zjistil, že takový obor existuje. Jeho výzkum dnes pomáhá posunout zcela novou oblast valleytroniky blíže k praktickým aplikacím, které překonají fyzikální limity přenosu a uchovávání informace na bázi konvenčních elektromagnetických jevů. Do jakých „údolí“ se tedy v rámci své práce vydává a co ho na Matfyzu baví nejvíce?
Vaše práce se dotýká nového oboru, tzv. valleytroniky. Mohl byste tedy obecně přiblížit jeho předmět zájmu?
Dnešná elektronika je založená na ukladaní a prenášaní informácie vo forme elektrického náboja elektrónov. Na druhú stranu valleytronika pracuje s kvantovým stavom elektrónov, ktorý je definovaný energetickým minimom vo vodivostnom páse, v ktorom sa elektrón nachádza. V niektorých materiáloch existuje vo vodivostnom páse viacero miním s rovnakou energiou, ale rôznym smerom tzv. vlnového vektora. Tieto energetické minimá sa zvyknú označovať ako údolia, odtiaľ názov valleytronika (z angl. valley – údolí, pozn. red). Valleytronika následne umožňuje uchovávanie informácie v materiáli prostredníctvom preferenčnej populácie elektrónov v jednom dominantnom type údolia, charakterizovanom špecifickou orientáciou vlnového vektora.
Jak dlouho se zhruba už rozvíjí a jakou budoucnost mu předpovídáte?
Prvé experimenty na polovodičových nanoštruktúrach sa začali už niekedy na prelome tisícročí. Najväčší rozmach valleytroniky však nastal až okolo roku 2012, kedy sa objavila metóda, ako v monovrstvách dichalkogenidov prechodných kovov dosiahnuť za pomoci rôzne polarizovaného svetla tzv. údolnú polarizáciu, teda stav, kedy elektróny populujú primárne jeden typ údolia. Odvtedy sa odbor valleytroniky dostáva stále viac do popredia, pričom pribúdajú nové metódy posúvajúce valleytroniku bližšie k dnešnej elektronike. Postupom času sa veľmi pravdepodobne dočkáme prvých valleytronických zariadení, prípadne technológií rozširujúcich súčasnú elektroniku za pomoci valleytroniky.
Podobné monovrstvy se někdy označují jako 2D materiály. Vy se ovšem zaměřujete na strukturně mnohem složitější trojrozměrné materiály, například diamant nebo křemík. Jsou ve hře ještě nějaké další?
V poslednej dobe sme sa venovali napríklad výskumu valleytroniky v kremíku dopovanom fosforom. Dopovanie je jedným zo základných aspektov dnešnej elektroniky a na jeho princípe funguje väčšina dnešných elektronických súčiastok. Existuje však, samozrejme, aj mnoho ďalších objemových materiálov potenciálne využiteľných vo valleytronike, ako napríklad v poslednej dobe veľmi populárny karbid kremíka, prípadne germánium, fosfid gália a mnoho ďalších.
Přibližuje výzkum trojrozměrných materiálů valleytroniku praktickým aplikacím?
Odbor valleytroniky bol doteraz takmer úplne obmedzený na dvojrozmerné materiály. Možnosť študovať obsadzovanie elektrónov do jednotlivých údolí v trojrozmerných kryštáloch, akými sú kremík alebo diamant, a to dokonca za izbovej teploty, je určite veľkým krokom k reálnym aplikáciám.
Jakým směrem chcete v tomto výzkumu pokračovat?
Experimentálna technika, ktorú sme počas nášho výskumu vyvinuli, je pomerne univerzálna a je možné ju využiť na pozorovanie údolnej polarizácie v širokom spektre materiálov, ktoré vo svojom vodivostnom páse obsahujú tieto údolia.
Ako som už spomenul, v poslednej dobe sme sa venovali výskumu na vzorkách fosforom dopovaného kremíka. Tento výskum by nám mal poskytnúť lepší náhľad na to, ako dopovanie ovplyvňuje údolnú polarizáciu, čo by malo potenciálne prispieť k vývoju budúcich technológií kombinujúcich elektroniku s valleytronikou.
Hlavným nedostatkom je momentálne pomerne krátka doba, po ktorú údolná polarizácia, a teda aj zakódovaná informácia, zotrvávajú v materiáli. Preto je teraz naším hlavným cieľom výskum ďalších materiálov a podmienok, za ktorých by bola táto doba čo najdlhšia.
Proč jste se rozhodl právě pro fyziku a co vás přivedlo na Matfyz?
Povedal by som, že fyzika ma bavila ešte skôr, ako som vedel, čo vlastne fyzika je. Od detstva ma zaujímalo, ako veci v prírode fungujú. Na základnej škole a následne aj na gymnáziu ma tiež veľmi bavila matematika, za čo vďačím hlavne mojim učiteľkám. Zameranie na fyziku neskôr už prišlo tak nejak samo. Matfyz sa následne ukázal ako prirodzená voľba pri výbere vysokej školy vďaka vyhlásenej úrovni vzdelávania, ale aj výskumnej činnosti.
Co vás na naší fakultě baví a co by se mohlo zlepšit?
Už od môjho nástupu ma veľmi potešila súdržnosť celej fakulty. Veľká ochota vyučujúcich aj napriek množstvu študentov a taktiež pomoc od starších kolegov boli samozrejmosťou. Štúdium je určite náročné, ale vždy je na koho sa obrátiť.
Veľmi taktiež vítam, že sa v posledných rokoch rozbehli semináre poradenských služieb pre študentov a rôzne podporné skupiny. Pri nástupe do bakalárskeho štúdia ma tiež potešilo, ako skoro má človek šancu dostať sa k reálnemu výskumu, vďaka študentským fakultným grantom. Teraz ako doktorand to samozrejme vidím aj z druhej strany, kedy sa za týmto všetkým skrýva mnoho práce mojich kolegov.
Jak vnímáte ocenění od NFBB?
Ocenenie od NFBB ma samozrejme veľmi potešilo a je pre mňa veľkou poctou. Je obrovskou motiváciou vedieť, že po všetkej tej snahe vaša práca budí medzi ľuďmi záujem. Toto ocenenie patrí aj všetkým mojim kolegom, ktorí sa na tomto výskume podieľali, a bez ktorých by bola valleytronika o poznanie chudobnejšia.
Nadační
fond Bernarda Bolzana funguje od roku 1999 při Matematicko-fyzikální
fakultě UK. K jeho úkolům patří mimo jiné nevýdělečná podpora
vědecké a pedagogické činnosti na Univerzitě Karlově v oborech fyziky,
matematiky a informatiky, rozšiřování úrovně experimentálních možností a teoretických postupů nebo zprostředkování širšího mezinárodního
uplatnění vědeckých výsledků dosažených v daných oborech na
UK.
