Citují nás po celém světě, a to jsme teprve na začátku, říká Tomáš Jungwirth o objevu altermagnetů

Nakonec vše popsali ve studii, která vyšla v půlce února v jednom z nejprestižnějších odborných časopisů na světě Nature.

Na objev už reagují renomované instituce, kromě jiných britský Oxford, švýcarský Federální technologický institut nebo americké univerzity Yale, Cornell či Berkeley.

Učebnice fyziky se budou přepisovat a podle biochemika Jana Konvalinky je objev natolik významný, že by mohl být oceněn i Nobelovou cenou. I na to přišla řeč v rozhovoru s fyzikem Tomášem Jungwirthem.

Proč je objev altermagnetů tak významný?

Ještě před dvěma lety se o existenci takové látky vůbec nevědělo. Vezměme si všechny magnetické materiály, je jich přes tisíc, od jednoduchých, jako železo, až po ty složité. Ve značné menšině jsou mezi nimi takzvané feromagnety, je jich mezi deseti a dvaceti procenty, ty jednoduše řečeno drží na ledničce a jsou známé po tisíciletí.

Zbytek materiálů s magnetickým uspořádáním atomů nebudí vnější magnetické pole, na ledničce nedrží. Jsou známé zhruba sto let a po tu dobu si lidé říkali, že všechny mají stejnou vlastnost – ať jejich krystal natočíme jakkoliv, se stejnou pravděpodobností k nám „přiběhne“ elektron, který má severní pól svého vnitřního magnetu nahoře, jako ten, který jej má dole.

Mimochodem ve fyzice tomuto vnitřnímu magnetu elektronu říkáme spin. My jsme zjistili, že mezi magnetickými materiály, které nebudí vnější magnetické pole, jsou ještě další, a ty se chovají jinak. Nazvali jsme je altermagnety.

V čem se liší?

Jejich krystaly mají zvláštní vlastnost – podle toho, jakým směrem elektrony tečou, mají severní pól buď nahoře, dole, nebo to mají padesát na padesát. Když se elektrony posčítají, působení jejich spinů se vyruší, takže nebudí žádné magnetické pole. Pokud ovšem tímto krystalem pošlu elektrický proud vhodným směrem, bude se chovat magneticky – obdobně jako v běžném feromagnetu.

K čemu by se tyto výhody daly využít?

Už dnes se používají feromagnetické paměti. Ukazuje se totiž, že některé polovodičové paměti se nedají dále zmenšovat pod velikost bitu okolo 20 nanometrů. Místo nich teď nastupují v čipech feromagnetické paměti. Jak se budou součástky zmenšovat, budou ty feromagnetické hrát stále větší roli.

Pomocí feromagnetů můžeme vyrábět digitální bity podobně jako pomocí polovodičů. Elektrony ve feromagnetu se svými severními póly nahoře představují jedničku. Pokud feromagnet přepólujeme tak, že elektrony mají severní póly dole, naopak zapíšeme nulu.

Kromě pevných disků takovou feromagnetickou paměť najdete třeba v procesorových mikročipech, které musejí být neustále v pohotovosti, např. v chytrých hodinkách. S jejich širokým uplatněním se počítá také v čipech pro automobily a obecně pro aplikace využívající umělou inteligenci. Výhodou je, že feromagnetické paměti lze integrovat do mikročipů s nejvyšším stupněm miniaturizace součástek, jsou rychlé a energeticky úsporné.

Informace uložená ve feromagnetické paměti čipu se neztratí, i když odpojíme baterku, podobně jako jsou data trvale uložená na pevném disku.

Zní to až příliš dobře. Mají i slabé místo?

Ano, stačí po nich přejet silným magnetem a všechna data okamžitě zmizí. Dokonce jeden feromagnetický bit by mohl podobným způsobem rušit sousední, pokud by v čipu byly příliš blízko u sebe, což omezuje kapacitu feromagnetických pamětí.

Inženýrskými triky se dají tyto nevýhody feromagnetů omezit, ale ideální by bylo, kdybychom měli magnetické bity, které jsou necitlivé na rušivé magnetické pole a samy žádné pole nevytvářejí.

Altermagnety tyto problémy nemají?

Úplně u nich odpadá zádrhel, že by někdo vzal do ruky silný magnet a smazal z nich uložené informace. Není to tak, že by současné feromagnetické pevné disky a paměti v čipech byly nechráněné a data bylo možné snadno smazat, ale inženýři nad tím musí velmi usilovně přemýšlet, aby takové riziko omezili. To by s altermagnety nemuseli. Zároveň by kapacita takových pamětí mohla být daleko větší, protože samy nevyvolávají rušivé pole.

Altermagnety také dokážou fungovat na daleko vyšších frekvencích. Dnešní polovodičové nebo feromagnetické součástky fungují na gigahertzech, altermagnety mohou být o tři řády rychlejší, bavíme se tedy o terahertzech. S tím souvisí i úspora energie – když zvládnete stejnou operaci tisíckrát rychleji, ušetříte spoustu energie, protože nepotřebujete tolik elektrického proudu, neuvolňuje se takové množství tepla. A pak je tu ještě jedna možnost, kterou studujeme.

Co přináší?

Magnety, které nebudí magnetické pole, se mohou chovat podobně jako synapse a neurony, které máme v mozku. Nemáme v hlavě jen jedničky a nuly, dokážeme pracovat s daleko více stavy mezi těmito dvěma hodnotami. Na jednom místě jsme navíc schopni si něco zapamatovat a zároveň provést logickou operaci. Proto je v některých případech mozek stále daleko výkonnější než klasické počítače.

Když se dnes bavíme o umělé inteligenci, jsou to programy, které napodobují chování v našem mozku. Komputery, na nichž běží, nicméně stále pracují s jedničkami a nulami. V budoucnu by počítače samotné mohly být konstruovány více jako ten stroj, který máme my v hlavě, a na to by altermagnety mohly být vhodnější než klasické feromagnety nebo polovodiče.

Jak daleko jsme od chvíle, kdy si paměť využívající altermagnet koupíme v obchodě?

Pokusím se to přiblížit na konkrétním příkladu. Před dvaceti lety jsme učinili jiný objev – vzali jsme obyčejný nemagnetický polovodič a pomocí slabých elektrických proudů ho zmagnetovali. Na základě dříve známých fyzikálních principů by k podobnému zmagnetování bylo potřeba experimentální zařízení s extrémně silným magnetem, které by zabralo celou místnost. My jsme dokázali zmagnetovat mikroskopickou polovodičovou součástku za použití mikroskopických proudů.

Tento efekt už je dnes popsán v učebnicích fyziky pro vysoké školy a znají ho klíčové firmy, jež se dnes zabývají vývojem a výrobou mikročipů. Tento tzv. spinový Hallův jev je dnes v pokročilém stupni průmyslového vývoje jako nový účinný způsob zápisu dat do magnetických pamětí v mikročipech. Takže trvalo dvacet let, než se objev přesunul nejen do učebnic, ale i do povědomí inženýrů v polovodičových firmách.

Troufnete si odhadnout, jestli budou stejně úspěšné i altermagnety?

To by bylo věštění z křišťálové koule. Velké procento výsledků ve vědě nemá jednoznačný krátkodobý nebo střednědobý praktický význam. Další musely čekat třeba století, než se zjistilo, jak by se daly využít. Když se nicméně podíváme na množství prací z celého světa, které začínají altermagnety intenzivně studovat, možná se opravdu otevírá mimořádná příležitost nejen pro vědu, ale v budoucnu i mimo ni.

Jak se to pozná?

Nejdříve jsme altermagnety předpověděli teoreticky. Přibližně za dva roky od té doby na nás již odkázaly stovky prací z institucí po celém světě. Jsou mezi nimi špičkové univerzity a výzkumné ústavy v Evropě jako Oxford, Max Planck nebo americké univerzity Yale, Cornell nebo Berkeley. Zájem poznáte také podle toho, že si na téma altermagnetů klíčové vědecké konference vyhradí speciálně zaměřené programové bloky.

To učinila třeba Výroční konference Americké fyzikální společnosti, kde několik mých kolegů přednášelo předminulý týden. Tento týden nás zase čeká Výroční konference Německé fyzikální společnosti. Byli jsme také na Výročním zasedání Taiwanské fyzikální společnosti, Taiwan je přitom čipová velmoc a téma je velmi zajímá.

Věděli jste, že experiment teorii potvrdí?

Měli jsme všechno dopředu podrobně propočítané, ale samozřejmě byla otázka, zda se experiment povede správně provést, jestli bude dostatečně průkazný. Měli jsme teorii a také tzv. numerický experiment, kdy atomy naskládáme do krystalu a vše modelujeme v počítači.

Spočítali jsme si, že se elektrony opravdu chovají tak, jak jsme pro altermagnet předpokládali. Ve fyzice ovšem musíte vše nakonec potvrdit opravdovým experimentem. Ten provedli naši kolegové ve švýcarském Villigenu v Institutu Paula Scherrera.

Proč právě tam?

Je to centrální laboratoř pro Švýcarsko, kde mají zařízení zvané synchrotron, které jsme potřebovali. Je to kruh o obvodu několika set metrů, ve kterém urychlené elektrony generují silné rentgenové záření, a to když vlétne do krystalu, je schopné nám přesně zmapovat, co se uvnitř krystalu děje.

Taková zařízení byste v Evropě spočítali na prstech jedné ruky. Švýcarsko pro nás bylo ideální, navíc tu část zařízení, kterou jsme nejvíce potřebovali, má na starosti Juraj Krempaský, jenž má kořeny na Slovensku.

Znali jste se?

Potkali jsme se poprvé loni na vědecké konferenci v Rakousku. Měli jsme tam chvíli volna, tak jsme si šli zalyžovat a experiment ve Villigenu jsme domluvili v lanovce. Právě Juraj Krempaský vedl experimentální část studie, která nám vyšla minulý měsíc v časopise Nature a v níž píšeme o potvrzení existence altermagnetů.

Dalšími spoluautory jsou např. náš bývalý student Libor Šmejkal, který nedávno získal prestižní místo vedoucího týmu na německém institutu Maxe Plancka. Podepsaná je pod studií i Helena Reichlová nebo Dominik Kriegner z naší skupiny ve Fyzikálním ústavu Akademie věd, dohromady je autorů třiadvacet. Dostat studii do časopisu jako Nature je obtížné, zájem vědců se tam objevit je obrovský a místo samozřejmě není neomezené.

Biochemik Jan Konvalinka zmínil, že by jednou za tento objev mohla být udělena Nobelova cena. Co na to říkáte?

Osobně se tím nezabývám, velkou radost mám hlavně z objevu samotného. Někdy se vám podaří experiment, vyjde o něm článek v prestižním časopise – a je to tak trochu konec, najednou nevíte, co dál.

My jsme naopak teprve na začátku – když se objeví nová třída materiálů, najednou spíš nevíte, co máte dělat dřív, můžete zkoumat ve všech možných směrech. Možná několik let teď nebudeme muset přemýšlet, co zkoumat, protože se nám to samo nabízí.

Musí mít objev praktický výsledek, v tomto případě kupříkladu počítačovou paměť na základě altermagnetu, aby za něj vědci mohli získat Nobelovu cenu?

Někdy to pomůže. V roce 1988 došlo k objevu, že se elektrickými proudy přenáší magnetická informace způsobem, který je ideální pro čtení magnetických bitů. Na konci devadesátých let začala vznikat nová generace pevných disků, která tohoto principu využívá. Posléze se objev stal i základem pro fungování magnetických pamětí v mikročipech. Nobelova cena pak byla udělena v roce 2007.

Není to ovšem podmínka. Známe spoustu případů, kdy byla cena udělena za objev, který neměl bezprostřední praktické využití, ale posunul fyziku o obrovský skok dopředu.

Je pro vědce Nobelova cena nejvyšší metou?

To je osobní záležitost. Pro někoho je nejvyšším cílem dostat metál, pro jiného je to fakt, že se každý den těší do práce a má kolegy, které baví stejná věc. Já se tipuji spíše na tu druhou skupinu.