Mire kapott Makk Péter kétmillió eurót?
Makk Péter, a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Természettudományi Karának (BME TTK) fiatal fizikusa nemrég elnyerte az Európai Kutatási Tanács (ERC) Consolidator Grantjét, ami a következő öt évre mintegy kétmillió eurós támogatást jelent. És mivel a BME nem tartozik a modellváltó egyetemek közé, amelyek kutatói az Európai Unió Tanácsa döntésének értelmében a kuratóriumokba ültetett kormánypárti politikusok miatt nem részesülhetnek ERC-támogatásokban, Makk Péter meg is tudja kezdeni a kutatást.
Az ERC Grant az európai kutatástámogatás legrangosabb, rendkívül kompetitív egyéni kiválósági pályázata. A Consolidator Grant pályájuk felívelő szakaszában támogatja azokat a kutatókat, akik nemzetközileg elismertek, emellett saját kutatócsoportjuk és programjuk van. Magyarországról évente átlagosan egy kiváló kutató nyer ERC Consolidator támogatást; közülük Makk Péter az első, aki a kondenzált anyagok fizikájával foglalkozik.
Makk Péter a BME kvantumos szilárdtestfizikai kísérleti kutatóműhelyének, egyben a Kvantuminformatika Nemzeti Laboratóriumnak tagja, a kétdimenziós anyagok nemzetközileg elismert kutatója. A BME-n szerzett PhD-je után öt évig posztdoktori kutató volt a Bázeli Egyetemen, onnan tért haza négy éve alma materébe, ahol tagja lett Csonka Szabolcs (korábbi ERC Starting Grant-nyertes) MTA-BME Lendület Nanoelektronika Kutatócsoportjának. Tavaly az MTA támogatásával megalapította az MTA-BME Lendület Korrelált van der Waals Struktúrák Kutatócsoportot. Ezekre a tapasztalatokra és egy a BME-n fejlesztett, világszinten egyedülálló kísérleti berendezésre épít Makk újabb, az ERC által támogatott kutatási programja, ahol a kétdimenziós anyagok elektronjainak kölcsönhatását fogja mechanikailag (nyomással, húzással, csavarással) felerősíteni.
De mik azok a kétdimenziós anyagok, miért érdemes velük foglalkozni, miben áll az egyedülálló kísérleti berendezés, és mit tervez kutatni vele Makk?
A kétdimenziós anyagok a vékonyrétegek extrém esetei: vastagságuk csupán egy vagy néhány atomnyi. Legismertebb közülük a grafén, a grafit egyetlen rétege, amit először 2004-ben állítottak elő celluxszalaggal, tömbi grafitból. A grafén önmagában is érdekes, különleges mechanikai és elektronikus tulajdonságai miatt (lásd a 2010-es fizikai Nobel-díjat), amikre számos alkalmazás épülhet (ivóvízszűrés, jó hővezetés, spintronika). Ami még értékesebbé teszi a grafént, hogy kitűnő “szendvics-alapanyag”: nagyon jól kombinálható multirétegként egyéb kétdimenziós anyagokkal, mivel stabilitást ad nekik, és lehetővé teszi a különböző anyagok sajátos tulajdonságainak kombinálását. 2018-ban ráadásul kísérletileg is kimutatták, hogy ha ilyen multiréteg előállítása során a rétegek által bezárt szöget is jól állítják be, alacsony hőmérsékleten az elektronok kölcsönhatása felerősödik, egzotikus kvantumfázisok jöhetnek létre, ami akár a kvantumszámítógépekhez fontos úgynevezett topologikus kvantumállapotokhoz is elvezethetnek.
Az egyik egyedülálló kísérleti berendezés, amire Makk pályázata is épít, egy a BME-s csoportban nemrég kifejlesztett egyedi nyomáscellarendszer. A különleges, nyomásálló fémötvözetből készült eszköz kerozinnal töltött dugattyújába lehet a kétdimenziós anyagokból készült nanoáramkört behelyezni. A csavarokkal akár 2GPa-lal (a légköri nyomás 20 000-szeresével) lehet azt összepréselni, ami felerősíti a rétegek elektronjainak kölcsönhatását. Mindeközben a nanoáramkörből kivezetett elektromos kontaktusok épek maradnak, így az extrém nyomáson in situ elektronikus mérések végezhetők. Makkék úttörő, 2021-es kísérletükben ezzel a módszerrel csavart többrétegű grafént tudtak fémes és szigetelő fázisok között kapcsolni. Azóta vezető európai és amerikai kutatócsoportok (ETH, EPFL, Harvard, Aachen) küldenek mintákat Makkéknak, hogy elektromos tulajdonságaikat nyomás alatt, néhány kelvines hőmérsékleten vizsgálják.
Makk csoportja a BME egyedi kísérleti eszközeit használva és továbbfejlesztve fogja feltárni, hogyan lehet a kétdimenziós anyagokból készült nanoáramkörök elektromos tulajdonságait mechanikailag (nyomással, csavarással, meghúzással) változtatni. Ehhez először a BME Fizika tanszékén létrehozzák a kétdimenziós anyagokat: előállítják a rétegeket, majd megfelelő forgatási szögben egymásra helyezik őket. Ezután nanoáramköröket kell készíteni a létrehozott szerkezetekhez, amik elektromosan kontaktálhatók - ez az EK-MFA Nano-érzékelők Laboratóriumával közösen zajlik majd. Végül a legizgalmasabb mérésekhez az áramköröket az eddigi nyomásos méréseknél tízszer-százszor hidegebbre, néhány millikelvinre kell hűteni, hogy a törékeny kvantumos tulajdonságokat ne mossa el a hőmérsékleti zaj. Ehhez egyrészt szükség van a kvantumszámítógépek sajtóanyagain is szereplő, csillárra hasonlító, folyékony 3He és 4He keverésével működő hűtőre, ami Magyarországon csak a BME Fizika tanszékén van. Másrészt meg kell még építeni a nyomáscella következő, 2.0-ás verzióját is, ami kompatibilis ezzel a keveréses hűtőrendszerrel. Az elméleti várakozások szerint extrém nyomás, deformáció és extrém alacsony hőmérséklet mellett a kétdimenziós szendvicsanyagok szigetelőből szupravezetővé vagy akár egzotikus mágnessé válhatnak. Ezen átalakulások kísérleti feltérképezése még várat magára - ez lesz az első lépés a potenciális új alkalmazások felé.
Makk sikere, az ERC Consolidator Grant támogatása köszönhető annak is, hogy a diákok állandó közelsége miatt a kutatólabor stabil emberi erőforrásra számíthat. A nano- és kvantumelektronikai kísérletek szerves részei a BME fizikus és fizikus-mérnök képzésének, ahol a hallgatók már a BSc szintjén is bekapcsolódhatnak az izgalmas, a terület vezető nemzetközi partnereivel közösen folyó kutatásokba.
A szerző a BME Elméleti Fizika Tanszékének docense és a Wigner FK Kvantumoptikai és Kvantuminformatikai Osztály tudományos főmunkatársa.
Kapcsolódó cikkek a Qubiten:
