Füüsikalised katsed arvutis

Marek Strandberg

Füüsikateooria võimaldab molekule-kristalle ja nende omadusi kirjeldada ja ennustada veel enne, kui need on valmis tehtud. Mihhail Brik on füüsikateoreetik ja Eesti riikliku teaduspreemia laureaat. Füüsikaõpetajast isa ja füüsikast pungil kodune raamatukogu panid ta enda sõnul aluse ka erialavalikule. Kubani ülikoolis füüsikahariduse saanuna on ta töötanud mitmel pool maailmas. Tema huviobjektiks on lisandid kristallides ja see, kuidas ennustada nende lisandite mõju kristallide optilistele omadustele. Kvantmehaanika ja selle matemaatilised võtted on need, mille abil füüsikateoorias selliseid ülesandeid lahendatakse. Mihhail Briki tööde puhul on huvipakkuv moment see, kuidas eri arvutusvõtetega saadakse teadmisi sama nähtuse – lisandite mõju kohta kristallis ning seejärel liidetakse need teadmised tervikuks. Kvantmehaaniline arvutus on nagu omapärane eksperiment, kus arvutusmeetodi muutmine võimaldab kirjeldatava objekti kohta saada teadmisi veidi erineva nurga alt. Teadlane oli nõus vastama ka Sirbi küsimustele. Kvantfüüsika on oma loomult täppisteadus. Teie uurimisteemaks on lisandite mõju uurimine materjalides ja saan aru, et see ei ole sugugi lihtne ülesanne. Mis muudab keerukaks suuremate osakeste kirjeldamise ja nende omaduste ennustamise? Mihhail Brik: Kvantteooria loodigi, et kirjeldada eriti väikeste objektide, nagu seda on aatomid, omadusi ja just selliseid omadusi, mida ei saanud kirjeldada klassikalise füüsika seaduste abil. Peamised probleemid väikeste osakeste kirjeldamisel kvantfüüsika abil ilmnevad juhtudel, kui osakesi, elektrone, aatomituumi, aatomeid on väga palju. Nagu see on näiteks reaalsetes kristallides, kus osakeste arv on suurusjärgus 10 astmel 23. Sellises olukorras ei ole iga osakese liikumist või seisundit võimalik täpselt kirjeldada. Nii kasutataksegi sel juhul erinevaid kvantmudeli lähendusi tegelikkusele.

Ega need lähendusedki ole matemaatilises mõttes lihtsad, kuid võimaldavad siiski toime tulla kristallide omaduste kirjeldamise ja ennustamisega.

Kuigi aatomituuma ümber tiirleb suurel hulgal elektrone, on näiteks kristallis või molekulis vaid osa neist n-ö ühised kõigi aatomitega ja moodustavad seeläbi keemilise sideme. Nii on näiteks arvutamise vaeva vähendav lähendus juba see, kui arvutusmudelis käsitletakse aatomituuma ja sellega seotud keemilist sidet mitte moodustavaid elektrone ühe tervikuna ning kirjeldataksegi ainult sellise tuuma ümber liikuvaid elektrone. Loodus selline ei ole, kuid niisugune kirjeldus annab meile võimaluse kirjeldada ja ennustada ainete keemilisi omadusi.

Keemias ja bioloogias on kvantmehaanikast tulenevad arvutusmeetodid laialt kasutuses. Milles seisneb teie tööde uudsus, kui olete kasutanud ab initio ja pool-empiirilisi meetodeid kristallide füüsikas lisandite mõju hindamisel?

Selgituseks intervjueerijalt. Kvantmehaanika võimaldab arvutada aatomituumade ja elektronide omavahelisest vastasmõjust tingitult kujunevaid nii ruumiliselt kui energeetiliselt jaotunud tsoone, milles saavad viibida elektronid. Võrrandid, mida lahendatakse kvantmehaanikas on loomult keerukamad kui meie suurte objektide maailmas liikumist ja energiasisaldust kirjeldavad võrrandid. Kui küsimuse all on mitmed aatomituumad ja elektronid, mis molekuli või kristalli moodustavad, pole need arvutused üldse lihtsad ja selleks et ka arvutite abil saaks neid arvutusi mõistliku ajaga teha, on vaja arvutusmeetodit lihtsustada. Ab initio (ee asjade algusest) meetodiks kutstakse sellist arvutusmeetodit, kus molekuli või kristalli omadusi arvutataksegi lihtsustatud kvantmehaanika võrrandite alusel. Poolempiiriliseks kutsutakse aga selliseid arvutusmeetodeid, kus osa muidu arvutatavaid suurusi on võrrandi lahendustesse võetavad hoopis reaalsest füüsikalisest eksperimendist määratuna. Näiteks spektroskoopilistest mõõtmistest tulenevalt. Kvantmehaaniline arvutusmeetod on nagu katse, mida tehakse aatomituumade ja elektronidega, et teada saada selle kogumi eri omadusi.

Nüüdisaegne koolifüüsikagi kõneleb sellest, et isoleeritud aatomitel on eraldiseisvad energiatasemed, mis tähendab seda, et aatomeid ümbritsevad elektronid ei saa liikuda meelevaldsesse kohta aatomituuma ümber, vaid ainult neile ette antud tasemetele – orbiitidele. Kui aatom neelab valgust, kolivad elektronid kõrgemale energiatasemele, ja kui kiirgab, siis tagasi madalamale. Hüpata saab aga vaid nii kõrgele energianivoole, kui palju selleks valguseosake, footon, energiat annab.

Kui aatomitest koondub kristall, siis mõjutavad aatomituumad kõiki kristallis olevaid elektrone ja elektronid ka aatomituumi ning selle tulemuseks on, et ühe aatomi diskreetsed „riiulid”, millel elektronid viibida saavad, hajuvad kristallis nn tsoonideks, mis ulatuvad üle kogu kristalli. Ka kristallides on nende tsoonide vahel, kus elektronid viibida saavad, sellised tsoonid, kus viibida ei saa. Keelutsoonid. Tsoonide ja nendevaheliste keelutsoonide jaotus ja iseloom määravad ära kristalli optilised omadused.

Lisandid kristallis mõjutavad aga nende tsoonide jaotumist ja iseloomu, seega ka optilisi omadusi. Siinkohal ei vaevaks ma lugejat nüanssidega, mis on seotud sellega, kuidas leida kristalli sobivaid lisandeid ja mil moel neid uurimiseks mõeldud näidiseid tehniliselt valmistatakse.

Nüüdisaegsete arvutusmeetoditega on lugu nii, et ühed võimaldavad arvutada ühtesid omadusi piisava täpsusega ja teised teisi. Pean silmas neidsamu elektronide tsoone kristallides. Ab initio arvutusmeetod võimaldab imehästi välja arvutada elektronide energiatasemeid kristallides, kuid selle abil on raske kirjeldada, mis juhtub kristallis lisandaatomitega, mida mõjutavad paljud elektronid. Seevastu nn kristallivälja teooria on jällegi arvutusmeetod, mis võimaldab aru saada, kuidas muutuvad kristalli sukeldatud lisandaatomi tsoonid, kus viibivad elektronid.

Minu ideeks lisandite mõju hindamisel kristallides oligi see, et kasutades üht meetodit, ab initio meetodit, arvutada välja kristalli struktuur ja muu hulgas ka lisandaatomi paiknemine selles struktuuris, ning teisalt, kasutades teist teooriat, kristalliväljateooriat, arvutada selle lisandaatomitega kristalli elektronstruktuur ja sellest tulenevad optilised omadused.

Teadus tähendab protsesside kirjeldamise võimet ja ka võimet ennustada uusi nähtusi. Kas uus lähenemine kristallide omaduste kirjeldamisele on ka midagi uut ennustanud?

Mõistagi on erinevaid materjale uuritud ja seda on tehtud paljude teadlaste poolt pika aja vältel, aga sellele vaatamata on ikka võimalik leida uusi omadusi. Siinkohal näiteks kroomnitriid (CrN) – oleme uurinud nn üleminekumetallide nitriide, kuid kroomnitriidi uurimisel avastasime, et selle kristall on anisotroopsete elastsete omadustega. Teatud kristalli suunas on tegemist väga sitke ja teises suunas ülimalt hapralt käituva materjaliga.

Oma uue lähenemisega oleme suutelised näiteks lihtsa arvutusmudeliga kirjeldama pürokloori kristallide võreparameetreid ning ennustama ka selliste pürokloori kristallide omadusi, mida polegi veel sünteesitud. (Pürokloor on kristalliline nioobiumi sisaldav mineraal. Selle nimetus tuleneb asjaolust, et mineraali puru leeki puistatuna värvib selle rohekaks. – M. S.)

Sageli on käsitletud kvantarvutite kasutussevõttu kui imerohtu, mille abil saab lihtsustada keerukate ülesannete lahendamist. Missugune on teie arvamus? Kas see hõlbustab keerukate kvantsüsteemide arvutusi?

Loomulikult on sellega seotud „suured lootused” – laenan siinkohal väljendi Dickensilt – kvantarvutuste ajastu võimalikust saabumisest. Sellesse panustavad tõsiselt mitmed maailma tipplaborid. Nende uuringutega on seotud kaks olulist aspekti: 1) alusteadmiste mõttes avavad need uuringud uusi aspekte, mis seotud kvantosakeste ja kvantmaailmaga; 2) teaduse rakendamise aspektis aga püütakse luua uuel alusel töötavat arvutit.

Ise arvan, et mõlemas suunas on veel vaja käia pikk tee.

Töötasin 2001. aastal Iisraelis, Rehovotis Weizmanni teadusinstituudis. Seal sattusin kuulma Nobeli laureaadi Claude Cohen-Tannoudji avalikku loengut. Ta uurib jahutatud aatomeid, mis võivad olla kvantarvutite jaoks oluliseks aluseks. Talle esitatud küsimus puudutaski seda, et kui varsti on kvantarvutid meie igapäevaelu osa. Oma vastuses oli ta ettevaatlik ja mitte väga optimistlik. Õigem oleks öelda, et ega keegi ei tea täpselt, mis seis nende asjadega on, võimalik, et kvantarvutid saavad üsna pea meie igapäevaelu osaks. Ja tõsi on, et nüüd tohutut arvutusaega nõudvad ülesanded muutuvad lihtsamalt ja kiiremini lahendatavaks. Ent pole kahtlustki: kui oleme need probleemid lahendanud, peame rinda pistma järgmistega. Ka sellistega, milleks kvantarvutidki ei ole piisavalt võimsad.

Kas te enda uuringud on seotud materjalide ja protsessidega, mis omakorda seotud kvantarvutitega?

Ei ole. Mina tegelen optiliste materjalide, erinevate kristallide mudeldamisega, millest saab teha lasereid, mitmesuguseid fosfoore ja muud sellist.

Teil on ulatuslik teadustöökogemus eri maadest: Venemaa, Eritrea, Iisrael, Jaapan ja nüüd Eesti. Ehk võrdleksite sealt saadud teadusega tegelemise kogemusi?

Mul on olnud tõesti õnn näha eri maade teaduskorraldust. Peale selle olen veel teinud lühiajalisi käike eri maade juhtivatesse laboritesse. Enne Eestisse tulekut olin neli aastat ja neli kuud Jaapanis ja võin kinnitada, et nende teadus- ja arendustöö korraldamise oskus on tõesti muljetavaldav. Töötasin Kyōto ülikoolis, mis on Tōkyō ülikooli järel suuruselt teine. See toimib nagu kellavärk, võin kinnitada. Jaapani teadlased on ülimalt motiveeritud ja häälestatud oma tegevuse tulemustele. Kõik see tagab teaduse arengu.

Eritreas, mis on üsna vaene maa, olin aasta ja kolm kuud. Mina sattusin sinna vahetult pärast sõda Etioopiaga ja pidasin sealses Asmara ülikoolis põhiliselt loenguid.

Teoreetikuna mind väga ei häirinudki nende napid katsevõimalused. Minu tööriistaks on põhiliselt arvuti. Samal ajal hindan saadud kogemust väga kõrgelt, sest see oligi mul esimene kord õpetada täiesti teistsuguses hariduskeskkonnas. Õigupoolest oli see mu rahvusvahelise karjääri algus.

Pärast Eritread siirdusin Iisraeli Weizmanni instituuti ja nägin esimest korda maailmaklassi uurimisasutust. Tipptasemel arvutid, ajakirjade andmebaasid, väga hea raamatukogu. See kõik oli mu jaoks vapustav. Õppisin seal sedavõrd palju, et mu edasine minek Jaapanisse kulges juba pehmelt.

Eesti teaduskorralduse tase on samuti hea, mu meelest on siin oluline tähendus Euroopa teaduskeskuste lähedusel. Siinses füüsikateaduses on väga heal tasemel laserspektroskoopia, ioonkristallide ja tahke keha füüsika. Tase on see, mis toob noori teaduse juurde.

Enda kohta võin kinnitada, et rahvusvaheline teaduskogemus, ülimalt erinevate maade kogemus on minu jaoks üliolulise tähtsusega.

Mõiste „hea teadus” all mõtlevad inimesed küllaltki erinevaid asju. Mis on teie meelest hea teadus?

Täiesti nõus, ja isegi mitte veidi, vaid vahel lausa täiesti teisiti mõeldakse sest asjast. Igaühel on ju oma väärtusskaala. Ma sõnastaksin „hea teaduse” sedamoodi: a) uurida ja käsitleda tuleb nii huvitavaid kui ka olulisi probleeme; b) teadustegevus peab olema vaieldamatul konkurentsivõimeline ning rahvusvaheliselt tunnustatud; c) kogu tegevus peab olema loovalt ergastav; d) see tegevus peab sütitama üliõpilastes huvi teaduse vastu ja e) see peab olema positiivse kuvandi looja teadusele ja teadlastele.

Stanislavskilt lauset laenates: „Armastage kunsti iseendas, mitte ennast kunstis” ja kui asendame sõna „kunst” sõnaga „teadus”, saamegi üsna hea hea inimese suhte heasse teadusse.

Teaduse, just hea teaduse iseloomulikuks jooneks on olla üleilmne, rahvusvaheline. Füüsikaajakirjades paistab aina rohkem silma teadustööde rahvusvaheline iseloom. Riigi asutustevaheline koostöö on kasvanud rahvusvaheliseks koostööks eri riikide teadlaste vahel. Suuri teadusprobleeme õnnestub sageli lahendada suurte töörühmade koostöös. Ideede vahetamine ja omavaheline suhtlus loovad viljaka pinnase headeks lahendusteks. Sellisel koostööl on vaieldamatult positiivne mõju kultuuride ja ühiskondade arengule, ka noortele, kel seisab ees karjäärivalik.


sirp12_graafik

Kui sulle meeldis see postitus jaga seda oma sõpradega

[LoginRadius_Share]
 

Leia veel huvitavat lugemist

Värske Rõhk
Hea laps
LR
Keel ja kirjandus
Akadeemia
Kunstel
Muusika
Õpetajate leht
Täheke
TeaterMuusikaKino
Vikerkaar
Looming