Razgovarao: Đorđe Petrović
U jednom od najprestižnijih naučnih časopisa na svetu – Nature – nedavno je objavljen rad o detekciji novog oblika magnetizma, koji predstavlja značajan iskorak u oblasti fizike materijala. Iza ovog otkrića stoji međunarodni tim istraživača sa renomiranih naučnih institucija kao što su MIT i Jejl. Među potpisnicima rada je i dr Srđan Stavrić, teorijski fizičar i viši naučni saradnik Instituta za nuklearne nauke „Vinča“.
On proučava dvodimenzionalne materijale, koji zahvaljujući svojoj izuzetnoj tankoći ispoljavaju čitav spektar neobičnih fizičkih svojstava – uključujući i posebnu vrstu magnetizma. Njegova specijalnost je spintronika, savremena interdisciplinarna oblast koja spaja fundamentalnu nauku sa tehnološkim inovacijama. Krajem maja ove godine, Srđan je sa kolegama u Beogradu organizovao prvu Međunarodnu konferenciju o spintronici u Srbiji, pod nazivom Let’s Give It a Spin!. Pored nauke, ovaj mladi istraživač, rodom iz Zaječara, već godinama neguje još jednu veliku strast – rok muziku. Frontmen je benda Tilted, s kojim redovno nastupa širom Srbije.
Povod za naš razgovor upravo je bio rad objavljen u časopisu Nature, ali dotakli smo se i šireg konteksta ovog otkrića, mogućih tehnoloških primena koje ono otvara, rada u međunarodnim timovima – kao i toga šta, u njegovom slučaju, spaja fiziku i rokenrol.
Pre nekoliko meseci ste, kao deo međunarodne naučne kolaboracije, objavili rad u časopisu Nature o postojanju novog oblika magnetizma – takozvanog p-wave magnetizma. Možete li nam objasniti do kakvih ste otkrića došli u ovom istraživanju?
Pre nekih četiri-pet godina naučnici su počeli da posmatraju magnetizam iz nešto drugačije perspektive. Tradicionalno, magneti su klasifikovani u dve osnovne grupe: feromagneti i antiferomagneti – ta podela postoji još od pre više od sto godina. Feromagneti su materijali u kojima su svi magnetni momenti (spinovi) atoma paralelni, pa ispoljavaju jaku magnetizaciju (poput magneta na frižideru), dok su kod antiferomagneta spinovi na susednim atomima usmereni suprotno jedni drugima – antiparalelni – te se međusobno poništavaju zbog čega materijal nema magnetizaciju.
Međutim, pre izvesnog vremena pojavila se teorijska pretpostavka da je moguće postojanje nove klase materijala koji kombinuju osobine i jednih i drugih. Ti materijali su nazvani altermagneti, i poslednjih nekoliko godina su postali izuzetno aktuelna tema u oblasti fizike kondenzovane materije. P-wave magneti, o kojima govori naš rad, predstavljaju specifičnu podvrstu altermagneta kod kojih spinovi nisu ni paralelni ni antiparalelni već obrazuju spirale ili zavojnice. Ovakvo magnetno uređenje je spregnuto sa električnom polarizacijom materijala koja se može kontrolisano menjati pomoću električnog polja. Time se posredno menja i magnetno uređenje – desna spinska zavojnica se prevodi u levu i obrnuto.
Do pre nekoliko meseci sve ovo su bile samo teorijske pretpostavke, jer niko do sada nije uspeo da pokaže da određeni materijal zaista ispunjava sve neophodne uslove da bi se mogao klasifikovati kao p-wave magnet. Upravo to smo mi uspeli da dokažemo u ovom radu – da konkretan materijal, dijodid nikla (NiI₂), pokazuje karakteristike koje ga kvalifikuju kao prvi poznati p-wave magnet.
Koje su osobine tog specifičnog dvodimenzionalnog materijala – dijodida nikla?
Dijodid nikla je hemijsko jedinjenje čija se jedinica građe sastoji od jednog atoma nikla i dva atoma joda. Atomi nikla poseduju magnetni moment i upravo su oni odgovorni za magnetna svojstva ovog materijala. Njegova struktura je slojevita, što znači da nije dvodimenzionalan u strogom smislu reči, ali se sastoji od mnoštva naslaganih dvodimenzionalnih slojeva koji se mogu fizički razdvojiti. Dakle, moguće je izolovati i proučavati i pojedinačne 2D slojeve dijodida nikla, što je veoma važno u kontekstu savremenih istraživanja.
Pre izvesnog vremena pojavila se teorijska pretpostavka da je moguće postojanje nove klase materijala koji kombinuju osobine i jednih i drugih. Ti materijali su nazvani altermagneti, i poslednjih nekoliko godina su postali izuzetno aktuelna tema u oblasti fizike kondenzovane materije.
Međutim, ovaj materijal ima i jedno značajno ograničenje. Sva magnetna svojstva koje smo otkrili kod dijodida nikla ispoljavaju se samo na veoma niskim temperaturama, oko 30 do 40 stepeni Kelvina, što je otprilike -230 °C. Da bi materijal pokazivao p-wave magnetizam, mora da se ohladi do tih ekstremno niskih temperatura. Čim se zagreje, spiralno uređenje spinova nestaje, a sistem gubi magnetna svojstva.
To, naravno, ograničava praktične primene – ali nam upravo to daje motivaciju da tražimo nove materijale koji bi pokazivali slična svojstva na sobnoj temperaturi. Kada smo kod sobne temperature, zanimljivo je da p-wave magneti imaju teorijsku srodnost sa p-wave superprovodnicima – u oba slučaja ključnu ulogu igra simetrija sistema, što dodatno otvara prostor za fundamentalna istraživanja u fizici.
Gde bi u budućnosti mogla da se primene saznanja do kojih ste došli u ovom radu?
Osnovna primena materijala poput ovog koji smo istraživali jeste u oblasti spintronike. To je savremena grana fizike koja spaja spin (unutrašnje kvantno svojstvo elektrona) i elektroniku. Dok se konvencionalna elektronika – poput one u našim telefonima i računarima – zasniva isključivo na naelektrisanju elektrona, spintronika pokušava da iskoristi još jedno svojstvo elektrona: njegov spin, koji takođe može da bude nosilac informacije poput naelektrisanja.
Ideja je da, umesto da pomeramo elektrone i time stvaramo toplotne gubitke, probamo da manipulišemo samo njihovim spinom – čime se smanjuje utrošak energije i eliminiše zagrevanje uređaja. U idealnom slučaju, to bi omogućilo i do deset hiljada puta efikasnije uređaje od današnjih.
P-wave magneti su posebno zanimljivi jer poseduju dva stabilna magnetna stanja, zapisana smerom navijanja spinske zavojnice, između kojih je moguće brzo i precizno prelaziti primenom slabog električnog polja. Time se omogućava zapisivanje i čuvanje binarnih informacija (nula i jedinica), što je osnova digitalne memorije. Uz to, zbog prirode tih stanja, podaci se mogu gušće „utisnuti“ u materijal, što znači veći memorijski kapacitet.
Spintronika je savremena grana fizike koja spaja spin (unutrašnje kvantno svojstvo elektrona) i elektroniku. Dok se konvencionalna elektronika – poput one u našim telefonima i računarima – zasniva isključivo na naelektrisanju elektrona, spintronika pokušava da iskoristi još jedno svojstvo elektrona: njegov spin.
Još jedna velika prednost je otpornost na spoljašnje smetnje. Za razliku od feromagneta, koji mogu da izgube magnetizaciju zbog neželjenih (lutajućih) magnetnih polja, p-wave magneti, kao i altermagneti i antiferomagneti, ne reaguju na takva spoljašnja polja i samim tim su stabilniji za dugoročno čuvanje podataka.
Na kraju, tu je i faktor brzine: kod feromagneta, promena stanja se dešava u gigahercnom opsegu (milijardu puta u sekundi), dok kod p-wave magneta te promene mogu da se odvijaju čak hiljadu puta brže. To otvara prostor za ultrabrzu memoriju i procesiranje podataka.
Zbog svega toga – energetske efikasnosti, veće gustine zapisa, robusnosti i brzine zapisa – p-wave magneti imaju veliki potencijal za razvoj novih generacija memorijskih uređaja.
Da li to znači da bi u budućnosti, zahvaljujući tehnologiji baziranoj na p-wave magnetima, ceo data centar mogao da stane na jednu USB fleš-memoriju?
Baš tako. Zamislite da ceo data centar, koji danas zauzima čitave hale i troši ogromne količine energije, možete u budućnosti da spakujete u uređaj koji može da vam stane u džep. Upravo to je potencijal koji donosi spintronika zasnovana na p-wave magnetima.
Naravno, količina podataka koju generišemo svakodnevno eksponencijalno raste – i već sada je jasno da postojeći sistemi za skladištenje nisu održivi na duže staze. Nije dovoljno da pravimo još više hard-diskova koji funkcionišu po starim principima. Potrebna nam je tehnološka promena paradigme – nešto što će omogućiti neuporedivo gušće pakovanje informacija, ali uz manju potrošnju energije i veću stabilnost.
Krajem maja ove godine organizovali ste prvu Međunarodnu konferenciju iz spintronike u Srbiji, pod nazivom Let’s Give It a Spin! Ko je organizovao ovu konferenciju i ko je u njoj učestvovao?
Pored mene, koji sam bio na čelu, u organizacionom timu bilo je i petoro mojih kolega. Jedan od njih je moj prijatelj Marko Milivojević, koji je trenutno Marija Kiri stipendista u Bratislavi, zatim Martin Gmitra iz Košica, s kojim sam sarađivao na jednom bilateralnom slovačkom projektu, kao i Željko Šljivančanin iz Instituta „Vinča“, koji je bio moj mentor tokom doktorskih studija i danas je član Srpske akademije nauka i umetnosti. U timu su bili još i Andrea Drogeti iz Venecije i Marjana Ležaić, naša naučnica koja živi i radi u Nemačkoj.
Konferenciju je organizovao Institut „Vinča“, a održana je u Naučno-tehnološkom parku Beograd na Zvezdari. Glavni sponzor bila je PSY-K mreža – velika međunarodna zajednica koja okuplja više hiljada fizičara i istraživača u oblasti nauke o materijalima, sa fokusom na teorijske proračune elektronske strukture materijala. To je, u širem smislu, i oblast kojom se ja bavim. PSY-K svake tri godine organizuje veliku konferenciju (ove godine je u Lozani), a pored toga sponzoriše i dvadesetak manjih, fokusiranih skupova širom sveta. Zanimljivo je da se, koliko su mi rekli, niko iz Srbije do sada nije prijavljivao za njihovu podršku, pa sam odlučio da napišem mali projekat, poslao ga na recenziju – i nakon nekoliko meseci dobili smo potvrdu da su nam odobrili sredstva, kojima su pokrili oko pola ukupnih troškova konferencije.
Konferencija Let’s Give It a Spin! bila je posvećena spintronici, sa posebnim fokusom na upotrebu 2D magnetnih materijala u toj oblasti . Okupila je oko pedeset učesnika, uključujući petnaestak pozvanih predavača – među njima i nekoliko svetski priznatih stručnjaka, uključujući i Rikarda Komina. To je svetski priznat naučnik koji predaje na MIT-u i jedan od glavnih autora na našem radu objavljenom u časopisu Nature.
Za sve nas to je bilo vrlo dragoceno iskustvo – kako za domaće istraživače tako i za kolege iz inostranstva. Većini njih je to bio prvi put da dolaze u Srbiju i, koliko sam mogao da čujem, zaista im se svideo boravak ovde.
Na pomenutom radu potpisani ste kao drugi autor, uz vrhunske naučnike sa najprestižnjiih svetskih naučnih institucija. Kako je došlo do toga da se nađete u tako probranom društvu?
Rekao bih da je bilo i malo sreće, ali i dosta rada. Pre otprilike dve do dve i po godine, pripremao sam predlog projekta u okviru Programa PROMIS kao mladi istraživač, i tada sam se intenzivno bavio računanjem magnetnih osobina materijala. Kroz taj proces sam prvi put naišao na pojam altermagnetizma, čija je podvrsta upravo ovaj p-wave magnetizam, o kojem je reč u radu objavljenom u Nature. Uočio sam tada da još uvek nisu otkriveni dvodimenzionalni altermagneti, što me inspirisalo da napišem projekat baš na tu temu.
Srđan je sa kolegama u Beogradu organizovao prvu Međunarodnu konferenciju o spintronici u Srbiji, pod nazivom Let’s Give It a Spin!.
U to vreme radio sam u Italiji, kod profesorke Silvije Pikoci, koja je već dve decenije priznato ime u oblasti magnetnih materijala. Ona je znala na čemu radim i da sam se ozbiljno posvetio računanju relevantnih parametara za takve sisteme. U jednom trenutku, kontaktirao ju je pomenuti Rikardo Komin i rekao da su mu potrebni saradnici, a ona je predložila mene. Ostalo je istorija (smeh). U izvesnom smislu, može se reći da sam se našao u pravom trenutku na pravom mestu. Košarkaškim rečnikom rečeno, postići trojku uz zvuk sirene i doneti titulu svom timu jeste, na neki način, sreća, ali treba stići do finala. Slično stoje stvari i u nauci.
Vaša druga velika strast, pored nauke, jeste muzika i već nekoliko godina nastupate sa bendom Tilted. Koliko dugo svirate i kako uspevate da uklopite svirke sa naučnim radom?
Muzikom sam počeo da se bavim još u srednjoj školi, u rodnom Zaječaru. Tamo je Gitarijada bila stvarno velika stvar – a san svakog tinejdžera bio je da se popne na tu veliku binu na Kraljevici. Već u prvoj godini srednje škole sam osnovao bend, a krajem srednje smo se takmičili na Gitarijadi i uspeli smo da osvojimo Nagradu publike. Strast prema muzici me nikad nije napustila – u Beogradu sam nastavio da sviram paralelno sa studijama.
Što se tiče benda Tilted, relativno skoro smo mu proslavili sedmi rođendan. Sviramo rok muziku sedamdesetih: pesme Rolling Stones-a, Allman Brothers-a, južnjački američki rok, bluz, hard-rok, itd. Uglavnom su to obrade, ali sa našim pečatom. Ja sam pevač, a u bendu nas je petorica: dve gitare, bas i bubanj. Hteo bih da istaknem da niko od nas nije profesionalni muzičar, muzikom se bavimo isključivo amaterski, iz ljubavi. Često imamo i goste, tako da nam se, recimo, na jednoj nedavnoj svirci na bini pridružio Jovan Ilić – usni harmonikaš iz RawHide-a, najstarijeg aktivnog bluz benda u Beogradu.
Sviramo redovno, otprilike dvaput mesečno, a probu organizujemo jednom nedeljno. Najčešće nastupamo po Beogradu, uglavnom u klubovima kao što su Sinerman i Bluz i pivo, ali sve više sviramo i van glavnog grada – u Zrenjaninu, Novom Sadu i, naravno, mom Zaječaru, u koji uvek volim da se vratim.
Moglo bi se reći da se već dvadeset godina bavim i fizikom i muzikom, tako da mi je teško da razdvojim te dve strasti.
Postoji li između fizike i muzike neka tajna veza?
I u jednoj i u drugoj su frekvencije vrlo važne (smeh).