Mgr. Jindřich Kolorenč, Ph.D.

Počítače „vidí“ i tam, kam se člověk jen těžko dostane

Za přínos oboru získal Cenu Neuron pro mladé vědce 2016 a spolu s ní osobní prémii 250 tisíc korun. Reálnou zkušenost je těžké něčím nahradit. Ať už jde o první setkání dítěte se sněhem venku před domem, nebo o rozbor chování nějaké nové látky v laboratoři. Je ale spousta situací, kdy není snadné vzít si objekt zájmu přímo do ruky: například pokud bychom rádi zjistili, jak se chovají minerály za vysokého tlaku tisíc kilometrů pod zemí, nebo když chceme vědět, jak se mění vlastnosti palivových článků uvnitř spuštěného jaderného reaktoru. V podobných případech přicházejí ke slovu počítačové simulace, pomocí kterých je možné určovat chování látek a materiálů na základě znalosti jen základních fyzikálních zákonů. Takovými simulacemi se zabývá Jindřich Kolorenč, letošní laureát Ceny Neuron pro mladé vědce v oboru fyzika.

Zkoumáte chování elektronů, které krouží okolo jader v atomech. Jakou mají tyto elektrony funkci?
Vedle mnoha jiných věcí určují pevnost, pružnost, elektrickou vodivost a další fyzikální vlastnosti pevných látek.

Jaký je potenciální přínos vašich poznatků pro praxi?
Pokud poznáme principy chování elektronů v nějaké látce, bude možné ji kontrolovaně upravovat a optimalizovat pro konkrétní použití. Například cílenou změnou vlastností polovodičů by mělo být možné zvýšit účinnost solárních panelů tak, aby dokázaly využít širší spektrum slunečního záření než doposud.

Jak se elektrony studují?
Poznat jejich chování znamená vypočítat miliony drah, které se vzájemně ovlivňují. To je v zásadě nemožné. Proto se většinou pracuje s takzvaným středním polem, kde se to vzájemné ovlivňování zprůměruje do efektivního prostředí, ve kterém se už každý elektron pohybuje nezávisle na ostatních. Pak lze dospět k alespoň přibližnému výsledku.

Zabýváte se výzkumem elektronových stavů v uranu a plutoniu. Čím vás tyto těžké kovy zaujaly?
Dosavadní teorie o chování elektronů (ta se středním polem) v mnoha sloučeninách těžkých kovů nefunguje. Snažím se tedy vyvíjet nové metody, které by fungovaly.

Jak daleko je k podrobnému poznání těchto elektronových stavů?
To není možné takto jednoznačně říci. Úplně přesné chování asi nebudeme znát nikdy. Jak jsem zmínil, museli bychom popsat miliony vzájemně se ovlivňujících pohybů. Ale naštěstí to nejspíš ani nebude potřeba. Na pochopení některých vlastností známe elektronové stavy dostatečně podrobně již dnes. Na detailní porozumění jiným vlastnostem, třeba supravodivosti, která byla v mnohých sloučeninách těžkých kovů pozorována, to ale ještě pořád nestačí.

Jak se pohybují elektrony v uranu a plutoniu?
Projevují se v nich velké odchylky od středního pole. Laicky řečeno, některé z těch elektronů jsou dost nevypočitatelné. Někdy sedí hodně blízko atomového jádra a nic je nezajímá, jindy se účastní chemických vazeb. Je obtížné odhadnout, jaká tendence vyhraje v té které sloučenině.

Jaké největší překážky vidíte ve svém výzkumu?
Jde o problémy technického charakteru. Například metoda, na jejímž vývoji se už několik let podílím, umožňuje velmi přesně popsat chování elektronů v okolí jednoho atomu například v oxidu uranu. To je izolant, tedy nevodič. V případě kovových materiálů už ale ten postup tak spolehlivý není. Tam jsou důležití nejen nejbližší sousedé každého atomu, ale i ti vzdálenější. Pro přesný výpočet by bylo potřeba vzít v úvahu mnoho vzájemně se ovlivňujících elektronů najednou. To velmi rychle vede k úloze tak velké, že už se nevejde do počítače. Pro takové případy bude nutné vyvinout jinou metodu.

Co v současné době zkoumáte?
Před časem jsem navrhl a sestavil počítačový program pro výpočet elektronových stavů v těch izolantech, o kterých byla právě řeč. Nyní se s jedním kolegou z Mnichova snažíme sloučit můj program s jejich programem, který pracuje se středním polem. Už máme první výsledky.

Jaké uplatnění najde tento kombinovaný program?
Třeba pro výpočet vlastností sloučenin obsahujících prvky vzácných zemin, nebo sloučenin železa a niklu. Využitelný je také pro účely spektroskopických metod. Když foton z rentgenového zdroje vyrazí z látky elektron, který se původně pohyboval hluboko u atomového jádra, zůstane tam po něm díra. Ta vytvoří elektrické pole, které naruší dráhy elektronů účastnících se chemických vazeb. Něco z tohoto děje je zakódováno do energií vyletujících elektronů, tedy těch, po kterých tam zůstala ona díra. Když je pochytáme, můžeme zjistit, jak vypadají chemické vazby... Já vím, zní to krkolomně, ale věci v mikrosvětě nejsou vždy zrovna přímočaré.

Co o chování volných elektronů ještě neznáme?
To já nevím, když to dosud neznáme. Ale celkem jistě nás ještě překvapí.

Text: Josef Matyáš

Zdůvodnění nominace – prof. Jiří Chýla, garant pro obor fyzika:

„Jindřich Kolorenč, nar. 1977, absolvent MFF UK (2000), doktorské studium na MFF UK (2000-2004), v současnosti vědecký pracovník FZÚ AV ČR, 40 publikací, >350 citací (bez autocitací), h-index=12, dle WoS. V letech 2006-2011 pracoval na postdoktorských pozicích v zahraničí, nejprve v USA na North Carolina State University ve skupině prof. L. Mitáše (2006-2009), a poté v Německu na Universität Hamburg ve skupině prof. A. Lichtensteina v rámci stipendia uděleného Humboldtovou nadací. Od návratu ze zahraničí působí na Fyzikálním ústavu AV ČR. V roce 2011 byl oceněn Wichterleho prémií udělovanou Akademií věd České republiky. V průběhu magisterského a doktorského studia se Jindřich Kolorenč zabýval transportem elektronů v pevných látkách v rámci teorie lineární odezvy, přičemž šlo o popis zjednodušených modelových systémů analytickými metodami pracujícími s jedno- a dvoučásticovými Greenovými funkcemi. Po ukončení studia se více soustředil na teoretický popis elektronové struktury pevných látek se silně korelovanými elektrony s použitím převážně numerických metod a počítačových simulací. Během pobytu na NCSU se věnoval stochastickým simulacím (kvantové Monte Carlo) jejichž metody vyvíjel a aplikoval na studium vybraných charakteristik oxidů přechodových kovů. Hlavním výsledkem v této oblasti je výpočet stavové rovnice oxidu železa (FeO) a následná analýza strukturního fázového přechodu, ke kterému v této látce dochází za geofyzikálně zajímavých tlaků. Použitím stochastických simulací byl získán výrazně ucelenější a přesnější obraz fyzikálního chování tohoto minerálu, než jaký poskytují konvenčnější metody studia elektronové struktury krystalů založené na metodě funkcionálu hustoty. Nabyté zkušenosti posloužily jako základ pro zpracování přehledového článku o aplikacích tohoto typu kvantových Monte Carlo metod na problémy elektronové struktury pevných látek a jiných kondenzovaných systémů. V současné době se věnuje výpočtům elektronové struktury složitých látek s výrazně korelovanými elektrony. Jeho doménou je kombinace teorie funkcionálu hustoty s modelovým popisem silně korelovaných stupňů volnosti v přiblížení dynamického středního pole. Tato metoda byla použita na analýzu fotoemisních a rentgenovských spekter aktinoidů a jejich sloučenin. Korelace mezi f elektrony byly započteny formou numericky exaktního řešení minimálního mnohočásticového modelu zahrnujícího jednu f slupku a její nejbližší okolí. Počítačový program použitý na získání tohoto numerického řešení J. Kolorenč od základů navrhl a implementoval. Výsledky shrnuté v byly prezentovány na třech zvaných přednáškách na konferencích v zahraničí. Jindřich Kolorenč je vyzrálou vědeckou osobností s velkým potenciálem dalšího růstu. Je zběhlý jak v analytických tak v rozsáhlých numerických výpočtech. Je schopen nejen vyvíjet nové teorie a modely, ale taky účinně komunikovat teoretické výsledky kolegům experimentátorům.“

Jindřich Kolorenč v médiích:

• ČT Hyde Park Civilizace Předevání Nobelových cen ve vědeckých kategoriích
• Prima Zoom Magazín Šestice mladých českých vědců převzala Cenu Neuron a spolu s ní prémii 1,5 milionu korun