Letošní Nobelovy ceny byly oceněním pro línou zvídavost

Letošní Nobelovy ceny jsou definitivně rozdány - jako obvykle bez velkého zájmu a „humbuku“. Letos by nás to ale nemělo možná příliš překvapovat. Vědecká ocenění byla totiž - možná i trochu záměrně? - udělena za objevy, které nám laikům zůstávají alespoň prozatím dosti vzdálené.

První vyhlašovanou cenu - ocenění za medicínu - jsme popisovali v rozsáhlejším textu, nebudeme se u ní tedy dlouho zdržovat. Jen připomeňme, že byla udělena za pochopení funkce jedné části našeho imunitního systému a jeho „kontroly kvality“. Došlo při ní na ocenění myšlenky už jednou předtím zavržené, která má své kořeny ve výzkumu, za který si (zase jednou) málem mohl odnést cenu i Čech.

Letošní Nobelovka za fyziku si našla překvapivá laureáty, i když samotné téma překvapivé vůbec nebylo. Cenu dostali John Clarke, Michel Devoret a John Martinis za práci, která souvisí s využitím kvantových jevů – a velmi nepřímo – i se zaváděním kvantových počítačů.

Laureáti podali experimentální důkaz, že kvantové jevy, jako je tunelování a  superpozice, nefungují jen na úrovni jednotlivých atomů, ale dají se pozorovat i na makroskopických, člověkem vyrobených objektech.

Základy kvantové mechaniky jsou tu s námi už 100 let, ale její nejpodivnější důsledky odhalujeme postupně. Dva z nich jsou pro tento příběh klíčové. Prvním je kvantová superpozice – myšlenka, že objekt může existovat v  několika stavech současně, dokud ho nezměříme.

Druhým je kvantové tunelování, tedy jev, kdy částice dokáže projít energetickou bariérou, na jejíž překonání by podle klasické fyziky neměla mít dostatek energie. Jako by se míč, líně se kutálející k úpatí kopce, náhle a bez zjevné příčiny objevil na jeho druhé straně.

Dlouhá léta se předpokládalo, že tyto jevy jsou výsadou mikroskopického světa atomů a elektronů. Jenže už v 70. letech si teoretik Anthony Leggett položil otázku: Co když ne? Nemohli bychom projevy kvantové mechaniky pozorovat i na něčem makroskopickém, co si sami vyrobíme?

Přesně to se třem laureátům v 80. letech na Kalifornské univerzitě v Berkeley podařilo experimentálně dokázat. Sestrojili supravodivý obvod s tzv. Josephsonovým přechodem. Můžete si ho představit jako smyčku z  materiálu, který při teplotě blízké absolutní nule vede elektrický proud zcela bez odporu. Uvnitř této smyčky je záměrně vytvořena nepatrná izolační bariéra, onen Josephsonův přechod.

Pointa je v tom, že v tomto extrémním stavu se biliony elektronů v obvodu přestanou chovat jako individuality a začnou se pohybovat koherentně, jako jediná obří „kvantová částice“. Laureáti pak na tento systém pouštěli velmi slabý elektrický proud a pečlivě měřili napětí.

Klasická fyzika by předpověděla, že systém zůstane ve stavu nulového napětí (díky supravodivosti), dokud proud nedosáhne kritické hodnoty, která mu dodá energii „přeskočit“ bariéru. Oni však zpozorovali, že se na obvodu objevilo napětí o něco dříve. Celý ten makroskopický systém se jako „jeden muž“ protuneloval skrze energetickou bariéru do nového stavu.

Byl to elegantní důkaz, že kvantové zákony platí i ve „velkém“ měřítku. Experiment jasně potvrdil, že hranice mezi kvantovým a klasickým světem není tak ostrá, jak jsme si mysleli. I komplexní, člověkem vyrobený objekt se může chovat jako jediná kvantová entita.

Důležité je, že kvantová fyzika se díky tomuto experimentu přesunula ze světa jednotlivých částic zhruba do rozměrů dnešní elektroniky. Ukázalo se, že tyto efekty by mělo jít využít k výrobě použitelných součástek pro počítače. Obvod, který laureáti sestavili, byl v podstatě prvním funkčním supravodivým qubitem – tedy kvantovým bitem, základním stavebním prvkem kvantových počítačů. Dva rozlišitelné stavy systému – stav před tunelováním a stav po něm– se staly základem pro budoucí počítače tohoto typu.

Clarke, Devoret a Martinis ukázali, že kvantové stavy „ve velkém“ (tj. makroskopickém) měřítku existují, ale také že je umíme cíleně připravit, manipulovat s nimi a měřit výsledek. V dnešních kvantových počítačích se přesně tento systém nepoužívá, ale Nobelova komise chtěla ocenit jejich přínos k nastartování oboru.

Dodejme, že někteří pozorovatelé očekávali, že cenu – velmi zjednodušeně řečeno – „za kvantové počítače“ si odnesou teoretici, kteří se na rozvoji konceptu podíleli. Nejčastěji byla skloňovaná jména jako Peter Shor, Gilles Brassard, Charles Bennett nebo David Deutsch. Výběr zrovna těchto tří experimentátorů tak může být pro někoho překvapivý, ale Nobelovy ceny z vůle zakladatele tíhnou právě k vědcům, kteří obrazně řečeno bádají i rukama.

I v případě chemie byl oceněn v podstatě základní výzkum, který se zatím nemůže pochlubit tím, že by „změnil svět“. Ocenění získali Susumu Kitagawa, Richard Robson a Omar Yaghi za vývoj zcela nové třídy materiálů, kterým dnes říkáme metal-organické sítě, zkráceně MOF (Metal-Organic Frameworks).

MOF si můžeme jednoduše představit jako molekulární stavebnici v  trojrozměrném prostoru. Skládá se ze dvou základních komponent: Kovových iontů, které tvoří uzly, a organických molekul, jež fungují jako spojnice. Spojením těchto dvou prvků vzniká vysoce uspořádaná, krystalická struktura, která je prostoupená prázdnými póry a kanálky definované velikosti.

Hlavní vlastností těchto materiálů je jejich extrémní vnitřní povrch. Jeden gram takové látky, tedy objem, který by se vešel mezi palec a  ukazováček, může mít vnitřní povrch o rozloze 7000 m2. Tato vlastnost jim dává schopnost vázat a uchovávat obrovské množství molekul v malém objemu.

Letošní cena putuje ke třema klíčovým postavám, které tento obor postupně zformovaly. Richard Robson v 80. letech položil základy, když se inspiroval strukturou diamantu a jako první navrhl a syntetizoval trojrozměrnou síť z kovových a organických jednotek. Jeho práce byla koncepčním průlomem.

Na začátku 90. let na něj navázal Susumu Kitagawa. Jeho zásadním přínosem bylo vytvoření stabilních MOF, které si udržely svou porézní strukturu i  poté, co byly z pórů odstraněny molekuly rozpouštědla. Tím je otevřel pro praktické využití, například pro skladování plynů. Kitagawa také ukázal, že tyto sítě mohou být „flexibilní“ a měnit svůj tvar v reakci na vnější podněty, jako je teplota nebo přítomnost určitých molekul.

Ve stejné době Omar Yaghi tento obor systematizoval. Zavedl samotný termín „metal-organická síť“ a vyvinul metody, jak syntetizovat vysoce stabilní struktury, které odolávají i teplotám kolem 300 °C. Jeho práce umožnila cíleně navrhovat MOF s přesně předem danou velikostí pórů a  dosáhnout rekordních hodnot vnitřního povrchu. Jeho přístup v podstatě proměnil syntézu MOF z „alchymie“ na vědu.

A k čemu je to dobré? Využití je přímým důsledkem struktury MOF. Schopnost selektivně vázat molekuly je předurčuje pro zachytávání a  separaci plynů, například oddělování CO₂ z průmyslových emisí nebo vodní páry i ve velmi suchém prostředí (na poušti).

Vysoký vnitřní povrch umožňuje skladovat plyny jako vodík nebo metan při mnohem nižších tlacích, než je běžné. Póry mohou sloužit jako miniaturní reaktory, kde jsou molekuly přivedeny do těsné blízkosti s aktivními kovovými centry.

Přechod z laboratoře do průmyslového měřítka je samozřejmě stále výzvou. Z více než 100 000 dnes známých MOF se komerčně využívá jen několik. Klíčové je najít pro každou aplikaci ten správný materiál, který bude dostatečně stabilní, levný a efektivní.

A co mají ceny za fyziku, chemii i medicínu vlastně společného? Myslím, že to je téma, které poměrně dobře vyhmátl například tento text v New York Times: Byly to ceny pro „pomalou vědu“.

Všechny letošní Nobelovky totiž ocenily objevy, které mají kořeny v základním výzkumu starém desítky let. Nešlo o projekty s jasně definovaným cílem a  předvídatelnou návratností investic. Byla to práce poháněná zvědavostí, touhou porozumět světu na hlubší úrovni.

Když se novináři po oznámení ceny ptali fyzika Johna Clarka, jaká cesta vede od jeho objevu makroskopického kvantového tunelování před 40 lety až k dnešní elektronice, odpovědi se v podstatě vyhnul. Protože žádná jednoduchá přímka z laboratoře do našich kapes neexistuje.

Zato je v historii vědy možné najít řadu pomalých a klikatých cestiček, které vedou do míst, jichž na začátku ani nedokážeme dohlédnout. Kdo by si pomyslel, že zkoumání myšího brzlíku povede k moderní léčbě rakoviny? Nebo že podivné chování supravodivých obvodů položí základy kvantových počítačů?

Letošní ocenění je v době posedlé efektivitou a okamžitými výsledky možné vnímat i jako obhajobu loudavé zvídavosti. Efektivní investice do vědy někdy může znamenat prostě jen vytvořit prostor, kde mohou vědci svobodně přemýšlet a zkoumat, aniž by museli dokazovat okamžitou užitečnost svých výsledků.

Neznamená to, že by se neměli zodpovídat vůbec nebo nepodléhat žádné kontrole. Otázkou je, zda dozor musí být tak „blízký“ a vyčerpávající pro všechny strany, jako tomu dnes někdy bývá.

V plné verzi newsletteru TechMIX toho najdete ještě mnohem víc. Přihlaste se k odběru a budete ho dostávat každou středu přímo do své e-mailové schránky.