Převrat ve fyzice? Češi pozorovali „nedosažitelné“ změny antiferomagnetismu na úrovni atomů

Paměťová zařízení tak možná v budoucnu začnou být kompaktnější a uložená data budou lépe chráněna proti negativním vlivům vnějších magnetických polí.

Aparáty vycházející z magnetických materiálů se staly důležitou součástí našeho života, jak připomíná Tomáš Jungwirth z Fyzikálního ústavu AV ČR. Magnety hrají zásadní úlohu při výrobě a distribuci elektřiny, při ukládání dat v cloudových centrech – pokrok v oblasti magneto-elektronických zařízení je tedy pro vysokorychlostní paměti počítačů a chytrých telefonů stále důležitější.

Aby mohli vědci pozorovat zvláštní magnetické vlastnosti antiferomagnetu složeného z mědi, manganu a arzenu (CuMnAs), spojili se experti z Akademie věd s kolegy z univerzit v britském Nottinghamu (kde přednáší i Jungwirth) a švédské Uppsale, dále s institutem CEITEC v Brně a s americkou Národní laboratoří Oak Ridge.

„Získali jsme možnost využít nejpokročilejší elektronové mikroskopy, v nichž se dá pomocí svazku elektronů pozorovat vnitřní struktura materiálů na úrovni jednotlivých atomů. V tomto případě se kromě struktury podařilo touto technikou pozorovat i magnetické uspořádání na úrovni jednotlivých atomů,“ popsal hlavní autor studie Filip Křížek z Fyzikálního ústavu AV ČR.

Při analýze pořízených snímků si výzkumníci všimli, že periodické uspořádání atomárních magnetických polí se ve sledovaném antiferomagnetu prudce mění. Zatímco v běžných magnetických materiálech se předpokládá, že taková změna je pozvolná a zahrnuje několik stovek až tisíc atomů, nyní jde o náhlou změnu z atomu na sousední atom – tj. atomárně ostrou magnetickou doménovou stěnu.

U tzv. atomárních doménových stěn se jedná podle vědců o převratný objev základního výzkumu, jejich existence přináší novou perspektivu pro porozumění jevům v magnetických materiálech. Vnáší navíc světlo i do problematiky mikroskopických mechanismů stojících za fungováním ultrarychlých paměťových zařízení vyráběných za použití některých antiferomagnetických materiálů.

Do „rodiny“ magnetických materiálů každopádně patří i zmíněné antiferomagnety. Podle fyzika Jungwirtha se od feromagnetů liší tím, že magnetická pole jejich magnetických atomů se vzájemně ruší – směřují opačným směrem, tudíž se ani např. nepřichytí na lednici, ani nemají žádné jiné zajímavé makroskopické vlastnosti, které běžně pozorujeme v případě feromagnetů.

Za objev antiferomagnetů získal v roce 1970 francouzský fyzik Louis Néel Nobelovu cenu za fyziku. Ten ovšem svůj objev popsal jako zajímavý, ale vlastně neužitečný. Praktický potenciál zůstal navzdory následnému intenzivnímu výzkumu neodhalen až do nedávné doby, kdy byla poprvé vyvinuta experimentální antiferomagnetická spintronická zařízení.

Zatímco elektronická zařízení jsou podle Jungwirtha založena na manipulaci elektronického náboje, jsou spintronická zařízení sice také založena na manipulaci elektronu, jde však o manipulaci jiné jeho kvantově-mechanické vlastnosti: tzv. spinu. Uspořádanému stavu spinu vděčí každý krystal antiferomagnetického materiálu za vnitřní magnetickou strukturu.

„Zvláštní typy spinových uspořádání v antiferomagnetech pak nabízejí koncepce a funkce, které nemají u feromagnetů obdobu,“ uzavřel Jungwirth.

Výsledky badatelů publikoval vědecký časopis Science Advances.

Nedávno jsme informovali i o jiném objevu vědců z tuzemska, který by mohl proměnit svět počítačů. Tým s českou účastí odhalil zvláštní magnetické vlastnosti, které při vysokém tlaku vykazují krystaly jodidu chromitého.

Krystaly v určité fázi ztrácejí obvyklou strukturu a přecházejí do chaotického uspořádání, tzv. spinového skla. Objev by v budoucnu mohl pomoci se zvýšením operační paměti počítačů, uvedli zástupci Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR v březnové tiskové zprávě.