Přitažlivá nepřitažlivost. Vědci experimentálně potvrdili novou formu magnetismu

15. 02. 2024

Magnetickou přitažlivost zná lidstvo už z dob starověké Číny a Řecka, teprve v poslední stovce let se ale ukazuje, že jde o mnohem komplexnější fenomén. Vedle klasického feromagnetismu přibyl nový pojem antiferomagnetismu a před pár roky vědci z Prahy a Mohuče teoreticky předpověděli třetí typ – altermagnetismus. Nyní se mezinárodnímu týmu z Fyzikálního ústavu AV ČR podařilo nový jev experimentálně potvrdit. Jejich studii zveřejnil odborný časopis Nature. O altermagnetismu si můžete více přečíst v článku v našem popularizačním periodiku A / Magazín, který nabízíme na následujících řádcích.

Legenda praví, že sílu magnetismu objevil kdysi dávno ve starém Řecku v oblasti zvané Magnesia bájný pastýř Magnes. Vydal se hledat nové pastviny pro své stádo ovcí a při došlapu ucítil, jak se jeho sandály se železnými hřebíčky přitahují k podivnému kameni. Jedinečné vlastnosti minerálu magnetit tak jako první popsali staří Řekové, v neevropském prostoru pak Číňané (zřejmě už ve třetím tisíciletí před naším letopočtem).

Přesto se až teprve nedávno, v poslední stovce let, ukazuje, že svět magnetismu je mnohem bohatší, než se naši předkové domnívali. Měli za to, že materiály jsou buď magnetické, nebo nemagnetické. Jenže v přírodě se vyskytují i krystaly, které vykazují velmi slabé magnetické pole, případně látky, které se zdají zcela nemagnetické, ale ve skutečnosti magnetické jsou.

Jiný magnetismus
Vysvětlení nabídl ve třicátých letech minulého století francouzský fyzik Louis Néel, když u některých materiálů identifikoval a popsal vlastnosti, jež byly o něco později souhrnně nazvány antiferomagnetickými. Tyto vlastnosti se vyskytují převážně u přechodných kovů a jejich sloučenin (chrom, hematit, oxid manganičitý, oxid nikelnatý atd.). Stav antiferomagnetismu mizí po překročení takzvané Néelovy teploty, která bývá běžně vyšší než teplota pokojová.

Naproti tomu běžný magnet, který si doma pověsíme na ledničku, je feromagnetický. Typickým příkladem feromagnetu je železo.

Pokud chceme vidět rozdíl mezi feromagnetem a antiferomagnetem, musíme pohlédnout do jejich krystalové mřížky. U feromagnetu směřují jednotlivé atomy železa svými magnetickými severními póly stejným směrem (třeba nahoru) a společně vytvářejí silný magnetismus. Železo má proto navenek jasné magnetické vlastnosti.

Antiferomagnetická látka, třeba oxid nikelnatý, je také magneticky pravidelně uspořádaná. Ale jinak. Jeden atom směřuje magnetickým severním pólem nahoru, sousední atom dolů a pravidelně se střídají. Na makroúrovni se směry vyruší a navenek materiál působí nemagneticky.

„Antiferomagnety jsou magnetické materiály, které fyzikové velmi dobře znají. V učebnicích se o nich píše jako o druhém typu magnetických materiálů. Zůstávaly ale na okraji vědeckého zájmu i proto, že jsou až na výjimky technologicky nevyužívané,“ uvádí Tomáš Jungwirth z Fyzikálního ústavu AV ČR.

V roce 1991 vystudoval fyziku na Univerzitě Karlově, kde o šest let později absolvoval také doktorské studium. Jako doktorand a postdoktorand získával zkušenosti na americké Indiana University (1994–1995 a 1997–1999) a v letech 2000–2004 působil jako vědecký pracovník na University of Texas. Je držitelem Akademické prémie (2008), ceny Neuron (2018) a ceny ministra školství (2020). Jako jediný vědec v České republice obdržel dvakrát prestižní ERC Advanced Grant (2010 a 2023). Loni byl opět zařazen mezi nejcitovanější vědce světa. (CC)

Kupodivu v přírodě je mnohem více antiferomagnetických materiálů než feromagnetických. „Z nějakého důvodu příroda upřednostňuje jejich uspořádání, ale nějak nám nenaznačila, jak bychom s nimi mohli prakticky nakládat,“ vysvětluje vědec.

Dnes už víme, že antiferomagnety mohou být v principu široce využitelné, a dokonce mohou najít praktické uplatnění v budoucích pokročilých technologiích, například v ultrarychlých, energeticky úsporných a bezpečnějších počítačových součástkách. A jak se dočteme dále, příroda nedisponuje pouze těmito dvěma typy magnetismu, ale i jeho třetí fází.

Zápis ze století páry
Ukládání informací na pevný disk počítače a do některých typů paměťových čipů je založené na principu magnetismu. Původní technologie magnetického zápisu vznikla ve stejné době jako mechanický zápis zvuku na gramofonové desce a vychází tak ze zákonů fyziky 19. století.

Jak tedy magnetický zápis na pevném disku probíhá? Elektromagnetická cívka se přiblíží k bitu (základní jednotce dat) a pomocí vyvolaného magnetického pole přetáčí směr jeho magnetizace, čímž přepne hodnotu mezi nulou a jedničkou. V paměťových čipech dnes zápis probíhá už i bez vyvolaného magnetického pole a bity se dají přepínat přímo elektricky, což je mnohem efektivnější. V každém případě se ale v současné době magnetické bity vyrábějí výhradně z feromagnetů.

Donedávna se dokonce mělo za to, že magnetická data se dají zapisovat a číst pouze při použití feromagnetických materiálů. Jenže ty mají své limity, které spočívají v jejich fyzikální podstatě a jsou v zásadě nepřekročitelné. Jeden z nich souvisí s tím, že feromagnety vytvářejí vlastní magnetická pole, což vede k tomu, že se jednotlivé bity mohou vzájemně na dálku ovlivňovat a rušit. To omezuje fyzikálně dosažitelnou kapacitu magnetických pamětí.

Vedle tohoto prostorového omezení je tu ještě druhá limitace: časová. Spočívá v tom, že přepólování nul a jedniček ve feromagnetech nějakou dobu trvá. „Ta minimální hranice je v řádech nanosekund, za ní začíná být zápis do feromagnetů energeticky velmi neefektivní. Pro současné počítače jde o dostačující rychlosti. Pokud ale budeme chtít s rychlostí procesorů a pamětí pokročit ještě dál, s feromagnety narážíme na základní fyzikální problém. Kvůli těmto časovým a prostorovým limitům feromagnetů jsme začali přemýšlet, jestli by nešlo využít opomíjené antiferomagnety,“ vzpomíná Tomáš Jungwirth.

Ve své době to byla hodně odvážná myšlenka (první teoretické články o možnosti čtení dat zapsaných do antiferomagnetu vydal tým Tomáše Jungwirtha v roce 2010 a o možnosti efektivního zápisu v roce 2014). „Naše motivace byla jasná a nebylo až tak složité ji kolegům ve vědecké komunitě vysvětlit. Před našimi teoretickými pracemi ale neexistovala odborná literatura, která by zmiňovala jakýkoli prakticky realizovatelný způsob, jak by se dala informace do antiferomagnetu zapsat a pak z něj přečíst,“ podotýká Tomáš Jungwirth.

Nemožné? Neznám
Byla to rozhodně velká výzva. Nicméně vědecký tým z Fyzikálního ústavu AV ČR už za sebou měl velký úspěch, když se okolo roku 2004 podílel na teoretické předpovědi a následném experimentálním pozorování takzvaného spinového Hallova jevu. Jeho objev umožnil vědcům probudit v mikroelektronických obvodech zhotovených z běžných nemagnetických materiálů magnetické chování. (Spinový Hallův jev je dnes základem průmyslového vývoje nové generace feromagnetických paměťových čipů.)

Spinový Hallův jev aneb jak to celé začalo

Prvním významným úspěchem Tomáše Jungwirtha byla jeho účast na objevu takzvaného spinového Hallova jevu v roce 2004. „To byla opravdu velká věc, a to neříkám proto, že jsem se na tom podílel, ale proto, že spinový Hallův jev má obrovské důsledky. Stal se z něj v podstatě učebnicový jev ve fyzice pevných látek a zároveň má významné aplikace. Díky němu dnes velcí výrobci počítačových čipů pracují na vývoji nové generace paměťových součástek,“ popisuje Tomáš Jungwirth.

Hallovy jevy v magnetickém poli nebo ve feromagnetech jsou známé už více než sto let. S jejich pomocí lze indikovat různé druhy polovodičů, měřit magnetické pole, modulovat elektrický signál magnetickým polem apod. Spinový Hallův jev je zvláštní člen rodiny Hallových jevů, protože vyvolává magnetické chování v nemagnetických materiálech a bez vnějšího magnetického pole.

Spinový Hallův jev pracuje s termínem „spin“, který si můžeme představit jako miniaturní magnet nesený elektronem. První teoretická práce o spinovém Hallově jevu se objevila v roce 1971. Popisuje proudící elektrony se spiny, které se vlivem srážek s nečistotami v materiálu odklánějí k hraně vzorku, kde vytvářejí magnetizaci.

V roce 2003 dva týmy, z nichž v jednom byl Tomáš Jungwirth s Jairem Sinovou a Allanem MacDonaldem z Texaské univerzity, došly nezávisle k závěru, že ke zmagnetování může dojít i bez srážek. Předpověď tzv. vlastního spinového Hallova jevu vyvolala širokou teoretickou diskuzi i nebývalou experimentální aktivitu motivovanou jevem samotným, ale i jeho možným využitím v nové generaci magnetických paměťových součástek.

Tomáš Jungwirth začal na tématu pracovat v USA, ale už v době, kdy se vracel do Evropy – do Fyzikálního ústavu AV ČR v Praze a na univerzitu do Nottinghamu. V Británii se potkal s Jörgem Wunderlichem, který tehdy na spinovém Hallově jevu pracoval experimentálně. „Já jsem se věnoval teorii, propojili jsme se a zrealizovali jeden z prvních úspěšných experimentů,“ vzpomíná Tomáš Jungwirth.

Tento úspěch vědcům dodal odvahu vykročit zcela novým směrem – nejprve od feromagnetů k antiferomagnetům (s Vítem Novákem a Kamilem Olejníkem z Fyzikálního ústavu AV ČR a Petem Wadleyem z Nottinghamské univerzity) a následně k objevu altermagnetismu (s Liborem Šmejkalem, bývalým postgraduálním studentem Tomáše Jungwirtha a Jaira Sinovy).

Nabízel se tedy postup upravit principy spinového Hallova jevu tak, aby jeho obdoba umožnila efektivní zápis informace i do antiferomagnetu. Na odvážné cestě ve výzkumu pamětí od feromagnetů k antiferomagnetům nejprve vědci propočítali, že hypotézu lze realizovat, a následně přistoupili k úspěšným měřením, ve kterých ukázali elektrický zápis i čtení v experimentálních antiferomagnetických bitech. K tomu jim posloužily antiferomagnetické krystaly tvořené atomy mědi, manganu a arzenu.

Výsledky nezůstaly jen v rovině laboratorních měření, jedním z výstupů byl také skutečný mikroelektronický obvod s antiferomagnetickými bity, který bylo možné připojit přes USB ke klasickému počítači. A fungoval!

Vše se tehdy povedlo i díky zahraničním kontaktům, zejména s Univerzitou v Nottinghamu. Experimentální čip s antiferomagnetickou pamětí jim pak pomohla vyrobit malá španělská firma IGS Research napojená na Xaviera Martího – jednoho ze zahraničních vědců Fyzikálního ústavu AV ČR.

Jakkoli se na začátku zdálo využití antiferomagnetů nemožné, českým vědcům ve spolupráci se zahraničními kolegy se podařilo pohled na antiferomagnety zcela změnit. Proč něco podobného nenapadlo někoho před nimi?

Podle Tomáše Jungwirtha bylo prostě nutné pozměnit myšlení a podívat se na věc z jiného úhlu. Zaprvé vzít antiferomagnetické látky do úvahy, připustit si, že by mohly být k něčemu dobré. Zadruhé bylo nutné vstoupit ve světě mikroelektronických součástek do nového typu fyziky – relativistické fyziky. „Když zapisujete nebo čtete feromagnetické bity, tak si vystačíte s nerelativistickou fyzikou. Ale když do toho zahrnete spinový Hallův jev a jeho variace vhodné pro antiferomagnety, potřebujete relativistickou fyziku,“ vysvětluje vědec.

Jedna kuriozita za druhou
Důkaz, že antiferomagnety lze v principu využít, ale Tomáši Jungwirthovi, Liboru Šmejkalovi a dalším kolegům z Fyzikálního ústavu AV ČR nestačil. Experimentální antiferomagnetické součástky sice byly podle původních očekávání ultrarychlé a neprodukovaly žádné rušivé magnetické pole, ale relativistický zápis a čtení nebyly dostatečně efektivní, aby se daly snadno uplatnit v praxi. Další výzva tedy byla najít nový typ magnetického materiálu.

Takového, jenž by kombinoval unikátní výhody antiferomagnetů s možností efektivního nerelativistického zápisu a čtení využívaného komerčními feromagnetickými paměťmi. Obecné povědomí přitom bylo, že taková kombinace je fyzikálně nemožná.

Ukázalo se nicméně, že to tak úplně není. Od roku 2020 začali vědci z Fyzikálního ústavu publikovat sérii teoretických článků, v nichž popsali, že magnetické paměti kombinující výhody antiferomagnetů a feromagnetů existovat mohou.

Aby k takovému závěru došli, museli ovšem překročit sto let známé hranice magnetismu – a v roce 2022 teoreticky představit koncept třetího základního druhu magnetické fáze: altermagnetismu.

Světová vědecká komunita přitom až do té doby pracovala se skutečností, že existují pouze dvě základní magnetické fáze: feromagnetismus a antiferomagnetismus. Jak i označení těchto fází napovídá, považovalo se za zřejmé, že vlastnosti, které vykazují, jsou ve vzájemném protikladu, a tedy neslučitelné.

„Altermagnetismus je nový pojem, ale pojem samotný není důležitý. Terminologie nám vědcům jen pomáhá, abychom se mezi sebou rychleji dorozuměli. Důležitá je fyzika za tím. Důvod, proč jsme si troufli zavést nový termín, spočívá v tom, že jsme poskytli rigorózní matematický a fyzikální důkaz, že jde skutečně o jiný, dříve nepopsaný typ magnetické fáze,“ zdůrazňuje Tomáš Jungwirth.

Důležité je ono slovo „fáze“. Nepředstavujme si, že fyzikové našli novou látku, „vyhrabali“ neznámý krystal v zemi nebo si nějaký vyrobili v laboratoři či uměle pozměnili jeho krystalovou mřížku. „Paradoxní je, že jde o materiály, které jsme měli před očima celé roky, a dokonce jsme je detailně studovali. Prostě jsme si jen před tím nevšimli, že spojují vlastnosti, které byly považovány za výlučně antiferomagnetické a zároveň výlučně feromagnetické a že také vykazují řadu vlastností, které v klasických antiferomagnetech ani feromagnetech neexistují,“ vysvětluje fyzik.

Vědci z Fyzikálního ústavu AV ČR prošli známé magnetické materiály, které jsou v materiálových databázích. Zjistili, že přibližně dvě třetiny z nich jsou klasické antiferomagnety. Ve zbylé jedné třetině je pak výrazná menšina klasických feromagnetů, zatímco většina zbývajících materiálů jsou altermagnety. „Není to jeden obskurní krystal. Je to široká rodina materiálů, které mají specifické krystalové a magnetické uspořádání atomů v mřížce, jež z nich dělá altermagnety,“ dodává Tomáš Jungwirth.

Jak vysvětlit nové formy magnetismu netradiční formou? S pomocí tanečníků se o to pokusil Libor Šmejkal, vedoucí výzkumné skupiny INSPIRE ve Fyzikálním ústavu Univerzity Johannese Gutenberga v Mohuči a vědecký pracovník Fyzikálního ústavu AV ČR.

Pokud bychom chtěli vyjmenovat konkrétní materiály, je to prý „jedno překvapení za druhým“, protože jde o látky, které fyzikové dávno znali a studovali. Jde zpravidla o sloučeniny přechodových kovů, včetně na začátku článku zmíněného hematitu nebo oxidu manganičitého.

Paradoxem je, že oba materiály patří do skupiny obdobně uspořádaných krystalů, na kterých se už od sto let starého objevu Louise Néela vysvětlují základní principy antiferomagnetismu. Tradovalo se, že to jsou ty nejklasičtější příklady antiferomagnetů.

Jenže se ukázalo, že vše je jinak a tyto a řada dalších „klasických“ antiferomagnetů nesou hodně „neklasické“ vlastnosti, které nejsou v rámci zavedených představ o magnetismu pochopitelné. Teorie altermagnetismu tyto vlastnosti nejen vysvětluje, ale i předpovídá jejich využití v prakticky zaměřených výzkumných oblastech, jako jsou magnetické paměti.

Mimochodem, první experimenty potvrzující jak samu fyzikální existenci altermagnetismu, tak i jeho mimořádný aplikační potenciál už jsou na světě. Na klíčových se tým z Fyzikálního ústavu AV ČR přímo podílel.

Aktuální studie v časopise Nature

Předmětem výzkumu byly krystaly jednoduchého dvouprvkového altermagnetického kandidáta – teluridu manganatého (MnTe). Tento materiál věda tradičně považovala za klasický antiferomagnet, protože magnetická pole na sousedních atomech manganu míří opačně, a tak kolem materiálu nevytvářejí vnější magnetické pole.

Vědci na synchrotronu naměřili pásové struktury (mapy, které se používají k popisu vlastnosti elektronů v krystalech), s jejichž pomocí dokázali, že navzdory absenci vnějšího magnetického pole jsou elektronické stavy v MnTe silně spinově rozštěpené.

Škála a tvar spinového štěpení přesně odpovídá předpovězenému altermagnetickému štěpení pomocí kvantově mechanických výpočtů. To je přímý důkaz, že MnTe není ani konvenční antiferomagnet, ani konvenční feromagnet, ale patří do nové, altermagnetické větve magnetických materiálů.

Více v tiskové zprávě AV ČR.

Evropský ERC Advanced grant a další granty, které Tomáš Jungwirth a jeho kolegové aktuálně dostali, jim tak v budoucnu umožní nejen důkladně prozkoumat fyzikální vlastnosti altermagnetů, ale i experimentovat například s mimořádně rychlými a energeticky úspornými altermagnetickými paměťovými součástkami.

Zdá se tedy, že jsme na začátku dobrodružné cesty za poznáním. Na jejím konci můžou být opět zcela nové objevy světového významu. Když před pár tisícovkami let řecký pastýř Magnes stoupl na neznámou horninu a objevil svět magnetismu, stalo se tak čirou náhodou. Náhoda a štěstí hrají jistě důležitou roli, ale konkrétně o altermagnety nikdo z týmu Tomáše Jungwitha nezakopl jen tak. Jak sám dodává, deset let se po nich pídili motivováni ne zcela naplněnými ambicemi, jež vkládali do antiferomagnetů. Až altermagnety našli, téměř doslova pod rukama, třeba v materiálu, se kterým v laboratoři pracovali už nějakou řádku let.

Velká věda není sólo projekt

Přestože získat grant evropské výzkumné rady ERC Advanced grant se daří přibližně jednomu procentu vědců v Evropě, Tomáš Jungwirth z Fyzikálního ústavu AV ČR obstál ve velké mezinárodní konkurenci už podruhé (poprvé v roce 2010). Na projekt Altermagnetismus a spintronika bez magnetizace a relativity získal v roce 2023 maximální možnou podporu ve výši 2,5 milionu eur (v přepočtu přes 61 milionů korun). O svých osobních zásluhách ale příliš mluvit nechce. Rozhodující podle něj není snaha jednotlivce, ale práce celého týmu. Aktuální ERC grant navíc není jedinou větší finanční podporou, na kterou tým dosáhl. „Helena Reichlová získala významnou podporu k založení centra Dioscuri iniciovaného Společností Maxe Plancka a dva velké granty dostal také Dominik Kriegner – JUNIOR STAR od Grantové agentury ČR a prémii Lumina quaeruntur od Akademie věd. Každý z těchto grantů je kamínkem do mozaiky financování naší vědecké práce. Díky nim jsme v mimořádně dobré situaci, umožňují nám svobodně pracovat na tom, co chceme rozvíjet,“ říká Tomáš Jungwirth a dodává, že další velkou podporu přinese nově schválený významný grant z operačního programu Jan Amos Komenský.

Poslechněte si epizodu Podcastu Akademie věd ČR s Helenou Reichlovou:

Článek vyšel v A / Magazínu 4/2023.