Разговарао: Ђорђе Петровић
У једном од најпрестижнијих научних часописа на свету – Nature – недавно је објављен рад о детекцији новог облика магнетизма, који представља значајан искорак у области физике материјала. Иза овог открића стоји међународни тим истраживача са реномираних научних институција као што су МИТ и Јејл. Међу потписницима рада је и др Срђан Ставрић, теоријски физичар и виши научни сарадник Института за нуклеарне науке „Винча“.
Он проучава дводимензионалне материјале, који захваљујући својој изузетној танкоћи испољавају читав спектар необичних физичких својстава – укључујући и посебну врсту магнетизма. Његова специјалност је спинтроника, савремена интердисциплинарна област која спаја фундаменталну науку са технолошким иновацијама. Крајем маја ове године, Срђан је са колегама у Београду организовао прву Међународну конференцију о спинтроници у Србији, под називом Let’s Give It a Spin!. Поред науке, овај млади истраживач, родом из Зајечара, већ годинама негује још једну велику страст – рок музику. Фронтмен је бенда Tilted, с којим редовно наступа широм Србије.
Повод за наш разговор управо је био рад објављен у часопису Nature, али дотакли смо се и ширег контекста овог открића, могућих технолошких примена које оно отвара, рада у међународним тимовима – као и тога шта, у његовом случају, спаја физику и рокенрол.
Пре неколико месеци сте, као део међународне научне колаборације, објавили рад у часопису Nature о постојању новог облика магнетизма – такозваног p-wave магнетизма. Можете ли нам објаснити до каквих сте открића дошли у овом истраживању?
Пре неких четири-пет година научници су почели да посматрају магнетизам из нешто другачије перспективе. Традиционално, магнети су класификовани у две основне групе: феромагнети и антиферомагнети – та подела постоји још од пре више од сто година. Феромагнети су материјали у којима су сви магнетни моменти (спинови) атома паралелни, па испољавају јаку магнетизацију (попут магнета на фрижидеру), док су код антиферомагнета спинови на суседним атомима усмерени супротно једни другима – антипаралелни – те се међусобно поништавају због чега материјал нема магнетизацију.
Међутим, пре извесног времена појавила се теоријска претпоставка да је могуће постојање нове класе материјала који комбинују особине и једних и других. Ти материјали су названи алтермагнети, и последњих неколико година су постали изузетно актуелна тема у области физике кондензоване материје. P-wave магнети, о којима говори наш рад, представљају специфичну подврсту алтермагнета код којих спинови нису ни паралелни ни антипаралелни већ образују спирале или завојнице. Овакво магнетно уређење је спрегнуто са електричном поларизацијом материјала која се може контролисано мењати помоћу електричног поља. Тиме се посредно мења и магнетно уређење – десна спинска завојница се преводи у леву и обрнуто.
До пре неколико месеци све ово су биле само теоријске претпоставке, јер нико до сада није успео да покаже да одређени материјал заиста испуњава све неопходне услове да би се могао класификовати као p-wave магнет. Управо то смо ми успели да докажемо у овом раду – да конкретан материјал, дијодид никла (NiI₂), показује карактеристике које га квалификују као први познати p-wave магнет.
Које су особине тог специфичног дводимензионалног материјала – дијодида никла?
Дијодид никла је хемијско једињење чија се јединица грађе састоји од једног атома никла и два атома јода. Атоми никла поседују магнетни момент и управо су они одговорни за магнетна својства овог материјала. Његова структура је слојевита, што значи да није дводимензионалан у строгом смислу речи, али се састоји од мноштва наслаганих дводимензионалних слојева који се могу физички раздвојити. Дакле, могуће је изоловати и проучавати и појединачне 2D слојеве дијодида никла, што је веома важно у контексту савремених истраживања.
Пре извесног времена појавила се теоријска претпоставка да је могуће постојање нове класе материјала који комбинују особине и једних и других. Ти материјали су названи алтермагнети, и последњих неколико година су постали изузетно актуелна тема у области физике кондензоване материје.
Међутим, овај материјал има и једно значајно ограничење. Сва магнетна својства које смо открили код дијодида никла испољавају се само на веома ниским температурама, око 30 до 40 степени Келвина, што је отприлике -230 °C. Да би материјал показивао p-wave магнетизам, мора да се охлади до тих екстремно ниских температура. Чим се загреје, спирално уређење спинова нестаје, а систем губи магнетна својства.
То, наравно, ограничава практичне примене – али нам управо то даје мотивацију да тражимо нове материјале који би показивали слична својства на собној температури. Када смо код собне температуре, занимљиво је да p-wave магнети имају теоријску сродност са p-wave суперпроводницима – у оба случаја кључну улогу игра симетрија система, што додатно отвара простор за фундаментална истраживања у физици.
Где би у будућности могла да се примене сазнања до којих сте дошли у овом раду?
Основна примена материјала попут овог који смо истраживали јесте у области спинтронике. То је савремена грана физике која спаја спин (унутрашње квантно својство електрона) и електронику. Док се конвенционална електроника – попут оне у нашим телефонима и рачунарима – заснива искључиво на наелектрисању електрона, спинтроника покушава да искористи још једно својство електрона: његов спин, који такође може да буде носилац информације попут наелектрисања.
Идеја је да, уместо да померамо електроне и тиме стварамо топлотне губитке, пробамо да манипулишемо само њиховим спином – чиме се смањује утрошак енергије и елиминише загревање уређаја. У идеалном случају, то би омогућило и до десет хиљада пута ефикасније уређаје од данашњих.
P-wave магнети су посебно занимљиви јер поседују два стабилна магнетна стања, записана смером навијања спинске завојнице, између којих је могуће брзо и прецизно прелазити применом слабог електричног поља. Тиме се омогућава записивање и чување бинарних информација (нула и јединица), што је основа дигиталне меморије. Уз то, због природе тих стања, подаци се могу гушће „утиснути“ у материјал, што значи већи меморијски капацитет.
Спинтроника је савремена грана физике која спаја спин (унутрашње квантно својство електрона) и електронику. Док се конвенционална електроника – попут оне у нашим телефонима и рачунарима – заснива искључиво на наелектрисању електрона, спинтроника покушава да искористи још једно својство електрона: његов спин.
Још једна велика предност је отпорност на спољашње сметње. За разлику од феромагнета, који могу да изгубе магнетизацију због нежељених (лутајућих) магнетних поља, p-wave магнети, као и алтермагнети и антиферомагнети, не реагују на таква спољашња поља и самим тим су стабилнији за дугорочно чување података.
На крају, ту је и фактор брзине: код феромагнета, промена стања се дешава у гигахерцном опсегу (милијарду пута у секунди), док код p-wave магнета те промене могу да се одвијају чак хиљаду пута брже. То отвара простор за ултрабрзу меморију и процесирање података.
Због свега тога – енергетске ефикасности, веће густине записа, робусности и брзине записа – p-wave магнети имају велики потенцијал за развој нових генерација меморијских уређаја.
Да ли то значи да би у будућности, захваљујући технологији базираној на p-wave магнетима, цео дата центар могао да стане на једну USB флеш-меморију?
Баш тако. Замислите да цео дата центар, који данас заузима читаве хале и троши огромне количине енергије, можете у будућности да спакујете у уређај који може да вам стане у џеп. Управо то је потенцијал који доноси спинтроника заснована на p-wave магнетима.
Наравно, количина података коју генеришемо свакодневно експоненцијално расте – и већ сада је јасно да постојећи системи за складиштење нису одрживи на дуже стазе. Није довољно да правимо још више хард-дискова који функционишу по старим принципима. Потребна нам је технолошка промена парадигме – нешто што ће омогућити неупоредиво гушће паковање информација, али уз мању потрошњу енергије и већу стабилност.
Крајем маја ове године организовали сте прву Међународну конференцију из спинтронике у Србији, под називом Let’s Give It a Spin! Ко је организовао ову конференцију и ко је у њој учествовао?
Поред мене, који сам био на челу, у организационом тиму било је и петоро мојих колега. Један од њих је мој пријатељ Марко Миливојевић, који је тренутно Марија Кири стипендиста у Братислави, затим Мартин Гмитра из Кошица, с којим сам сарађивао на једном билатералном словачком пројекту, као и Жељко Шљиванчанин из Института „Винча“, који је био мој ментор током докторских студија и данас је члан Српске академије наука и уметности. У тиму су били још и Андреа Дрогети из Венеције и Марјана Лежаић, наша научница која живи и ради у Немачкој.
Конференцију је организовао Институт „Винча“, а одржана је у Научно-технолошком парку Београд на Звездари. Главни спонзор била је PSY-K мрежа – велика међународна заједница која окупља више хиљада физичара и истраживача у области науке о материјалима, са фокусом на теоријске прорачуне електронске структуре материјала. То је, у ширем смислу, и област којом се ја бавим. PSY-K сваке три године организује велику конференцију (ове године је у Лозани), а поред тога спонзорише и двадесетак мањих, фокусираних скупова широм света. Занимљиво је да се, колико су ми рекли, нико из Србије до сада није пријављивао за њихову подршку, па сам одлучио да напишем мали пројекат, послао га на рецензију – и након неколико месеци добили смо потврду да су нам одобрили средства, којима су покрили око пола укупних трошкова конференције.
Конференција Let’s Give It a Spin! била је посвећена спинтроници, са посебним фокусом на употребу 2D магнетних материјала у тој области . Окупила је око педесет учесника, укључујући петнаестак позваних предавача – међу њима и неколико светски признатих стручњака, укључујући и Рикарда Комина. То је светски признат научник који предаје на МИТ-у и један од главних аутора на нашем раду објављеном у часопису Nature.
За све нас то је било врло драгоцено искуство – како за домаће истраживаче тако и за колеге из иностранства. Већини њих је то био први пут да долазе у Србију и, колико сам могао да чујем, заиста им се свидео боравак овде.
На поменутом раду потписани сте као други аутор, уз врхунске научнике са најпрестижнјиих светских научних институција. Како је дошло до тога да се нађете у тако пробраном друштву?
Рекао бих да је било и мало среће, али и доста рада. Пре отприлике две до две и по године, припремао сам предлог пројекта у оквиру Програма ПРОМИС као млади истраживач, и тада сам се интензивно бавио рачунањем магнетних особина материјала. Кроз тај процес сам први пут наишао на појам алтермагнетизма, чија је подврста управо овај p-wave магнетизам, о којем је реч у раду објављеном у Nature. Уочио сам тада да још увек нису откривени дводимензионални алтермагнети, што ме инспирисало да напишем пројекат баш на ту тему.
Срђан је са колегама у Београду организовао прву Међународну конференцију о спинтроници у Србији, под називом Let’s Give It a Spin!.
У то време радио сам у Италији, код професорке Силвије Пикоци, која је већ две деценије признато име у области магнетних материјала. Она је знала на чему радим и да сам се озбиљно посветио рачунању релевантних параметара за такве системе. У једном тренутку, контактирао ју је поменути Рикардо Комин и рекао да су му потребни сарадници, а она је предложила мене. Остало је историја (смех). У извесном смислу, може се рећи да сам се нашао у правом тренутку на правом месту. Кошаркашким речником речено, постићи тројку уз звук сирене и донети титулу свом тиму јесте, на неки начин, срећа, али треба стићи до финала. Слично стоје ствари и у науци.
Ваша друга велика страст, поред науке, јесте музика и већ неколико година наступате са бендом Tilted. Колико дуго свирате и како успевате да уклопите свирке са научним радом?
Музиком сам почео да се бавим још у средњој школи, у родном Зајечару. Тамо је Гитаријада била стварно велика ствар – а сан сваког тинејџера био је да се попне на ту велику бину на Краљевици. Већ у првој години средње школе сам основао бенд, а крајем средње смо се такмичили на Гитаријади и успели смо да освојимо Награду публике. Страст према музици ме никад није напустила – у Београду сам наставио да свирам паралелно са студијама.
Што се тиче бенда Tilted, релативно скоро смо му прославили седми рођендан. Свирамо рок музику седамдесетих: песме Rolling Stones-а, Allman Brothers-а, јужњачки амерички рок, блуз, хард-рок, итд. Углавном су то обраде, али са нашим печатом. Ја сам певач, а у бенду нас је петорица: две гитаре, бас и бубањ. Хтео бих да истакнем да нико од нас није професионални музичар, музиком се бавимо искључиво аматерски, из љубави. Често имамо и госте, тако да нам се, рецимо, на једној недавној свирци на бини придружио Јован Илић – усни хармоникаш из RawHide-а, најстаријег активног блуз бенда у Београду.
Свирамо редовно, отприлике двапут месечно, а пробу организујемо једном недељно. Најчешће наступамо по Београду, углавном у клубовима као што су Синерман и Блуз и пиво, али све више свирамо и ван главног града – у Зрењанину, Новом Саду и, наравно, мом Зајечару, у који увек волим да се вратим.
Могло би се рећи да се већ двадесет година бавим и физиком и музиком, тако да ми је тешко да раздвојим те две страсти.
Постоји ли између физике и музике нека тајна веза?
И у једној и у другој су фреквенције врло важне (смех).