Elektronika narazila na limity. Řešení může být spintronika

„V posledních pěti letech se průmysl skutečně přibližuje hranici, kdy jsou součástky konstruovány jenom z několika málo atomů. Další miniaturizace už není možná. Uvidíme, zda spintronika nabídne alternativní řešení,“ říká doktorand Antonín Baďura, který už od bakalářského studia spolupracuje s vědci z Matematicko-fyzikální fakulty UK a Fyzikálního ústavu AV ČR, kteří vyvinuli nový koncept magnetického uspořádání, takzvaný altermagnetismus. Za svou diplomovou práci v této oblasti získal druhé místo v soutěži Cena Crytur 2022. 

S kýmkoli jsem se zatím na Matfyzu setkala, se ke svému oboru dostal buď díky rodinnému zázemí, nebo přes učitele na střední škole. Co vy?

I já patřím do jedné z těchto stereotypních skupin. Má rodina je fyzikou nepolíbená, měl jsem ale veliké štěstí na kantory fyziky.

Jaká oblast vás lákala nejvíc?

Asi jako většina gymnazistů jsem měl po maturitě jen velmi chabou představu o tom, co fyzika doopravdy je, které oblasti se v poslední době zkoumají, jaké jsou její možnosti. Měl jsem ji rozškatulkovanou na základní středoškolské kategorie – elektřina a magnetismus, optika a mechanika a podobně. Skoučasná fyzika je hodně odlišná.

V čem?

Tyto kategorie jsou jen odrazovým můstkem, jakousi první vrstvou pyramidy, na niž se následně staví moderní fyzika. Konkrétně spintronika, jíž se zabývám, spadá pod fyziku pevných látek, o níž mají studenti gymnázia jen chabé povědomí, přestože jde v současnosti o jednu z nejrozsáhlejších oblastí moderní fyziky. Ale je to logické. Aby člověk dokázal pochopit, co konkrétně fyzika pevných látek zkoumá, musí mít dostatečné základy, na něž se pak nabaluje všechno ostatní.

Co vás zaujalo na spintronice?

I já jsem si byl vědom toho, že o fyzice jakožto vědní disciplíně mnoho nevím. Snažil jsem se tomu ale jít naproti a využil jsem možnosti fakultních grantů, které MFF nabízí, abych ji trochu poznal. Je to skvělá šance i pro studenty prvních ročníků podílet se na výzkumné činnosti, získat za to třeba malou finanční odměnu, ale především nahlédnout do velkého světa moderní fyziky.

Jak to funguje? Ptáte se pedagogů, jejichž předměty vás baví, zda by pro vás neměli ve svém týmu místo?

Jednak jsou grantové projekty vypisované jakožto inzeráty, ale obecně platí, a je to velká přednost naší fakulty, že když student přijde v podstatě za jakýmkoli vyučujícím, velice často ho někam ochotně nasměruje nebo ho sám vede. Od prvního ročníku jsem se tak zapojoval do různých projektů a postupem času, kdy jsem si prošel různými skupinami, z toho vykrystalizovala v druhém ročníku spintronika. Věnoval jsem se jí v bakalářské a pak i diplomové práci, a nakonec už od spintroniky nebylo cesty zpět.

Kdy vám došlo, jaký má tato oblast potenciál?

Už před realizací bakalářky. Měl jsem velké štěstí, že jsem na studentském projektu mohl pracovat přímo s vedoucím katedry chemické fyziky a optiky, panem profesorem Němcem, který mě nasměroval ke konkrétnímu tématu, jež jsem si vybral u paní doktorky Schmoranzerové a dál ho rozvíjel i ve své diplomové práci.

Téma, které vám profesor Němec (vede Laboratoř optospintroniky – společné pracoviště MFF UK a Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR a patří ke světové špičce v tomto oboru – pozn. red.) navrhl, vyplnilo prázdné místo v jeho výzkumu?

Ano, dalo by se říci, že jde o takový dílek do skládačky, který zapadá do činnosti stávajícího výzkumného týmu. Spintronice se věnují různé skupiny a velmi těsně spolupracují. Konkrétně ta profesora Němce je navázána na skupinu profesora Tomáše Jungwirtha z Fyzikálního ústavu AV ČR, kde v současnosti působím a s níž jsem v kontaktu už od mé bakalářské práce. Zdejší kolegové tehdy rozbíhali projekt, do něhož byla zapojena moje školitelka Eva Schmoranzerová, která potřebovala studenta, jenž by se v něm angažoval.

Ve Fyzikálním ústavu AV ČR působíte stále, teď už jako doktorand. Čím konkrétně do projektů přispíváte?

Řada kolegů z naší skupiny se věnuje teoretickým výpočtům, na jejichž základě například vysloví tezi, že určitý materiál má vykazovat nějaký spintronický jev. Pak je tady další tým, který tyto konkrétní materiály připravuje – pracuje na růstu krystalů s danými vlastnostmi. Já se zabývám experimentální fyzikou – jsem tím, kdo má samotné jevy zkoumat. Experimentálně ověřuji, zda stanovené hypotézy platí.

Zabýváte se studiem altermagnetických materiálů. Přiznám se, že se mi o nich nepodařilo nic vypátrat. O co přesně jde?

Jedná se o nový koncept magneticky uspořádaných látek, s nímž přišel teprve před zhruba třemi lety právě zde na Fyzikálním ústavu AV ČR profesor Jungwirth a jeho spolupracovníci.

Nejspíš znáte termín feromagnet. V praxi se s ním setkáte třeba při vaření na indukční desce, kdy hrnec, jenž na ni položíte, by měl být ideálně feromagnetický – vyrobený z takového materiálu, který můžete přitáhnout magnetem. To je jeden typ magnetického uspořádání.

Altermagnety vykazují podobné vlastnosti jako feromagnety (které jsou základem klasických spintronických součástek), na rozdíl od feromagnetů ale nejsou magnetické – nemají vlastní magnetické pole a magnetem byste je nepřitáhla. Což má poměrně zásadní důsledky. Materiál, který by měl tu velkou výhodu, že vykazuje podobné spintronické jevy jako feromagnet, ale zároveň nemá magnetické pole, tady dosud nebyl.

K čemu lze tuto vlastnost využít?

Například by se z takového materiálu daly vyrobit paměťové bity v počítači, v nichž je informace uložena ve formě jedniček a nul. Tyto jedničky a nuly jsou miniaturní. Za posledních třicet let se kapacita počítačových pamětí řádově znásobila, právě za cenu této miniaturizace. Pokud jsou paměťové bity vyrobené z feromagnetu, fungují jako takové malé magnetky. Aby se vzájemně neovlivňovaly, musíte je umístit dostatečně daleko od sebe. Oproti tomu paměťové bity připravené na bázi altermagnetů se vzájemně neovlivňují.

Tím pádem k sobě můžete obě částice více přiblížit.

Přesně tak. A provést tím další miniaturizaci součástek, a zvýšit tak i kapacitu.

Jedná se o objev zdejší skupiny?

Ano, koncept byl vytvořen zde ve Fyzikálním ústavu Akademie věd ČR a v současné době na něm naše skupina i další týmy ve světě intenzivně pracují.

Dokážete odhadnout, kdy se altermagnetické materiály stanou součástí pevných disků počítačů, a násobně se tak opět zvýší jejich paměť?

Jednou z vlastností základního výzkumu, jímž se zde zabýváme, je, že v něm není možné předpovědět takřka vůbec nic. V současné době ještě není experimentálně prokázáno, že jisté spintronické jevy jsou v altermagnetech skutečně přítomné. Pokud se jejich existence potvrdí, vyvstávají další otázky. Budou skutečně prakticky užitečné? Bude možné vyvinout na altermagnetech technologii, která bude pro firmy komerčně zajímavá? Současný průmysl výpočetní techniky je založený na čipech z křemíku, což je velice dostupný materiál. Materiály k výrobě altermagnetů zatím tak dostupné nejsou.

Proto zůstávala spintronika tak dlouho stranou zájmu fyziků? Nebylo potřeba vymýšlet v oblasti paměťové kapacity počítačů nic nového?

Určitě je to jeden z důvodů. Ale elektronika obecně je mladý obor. Vezměte si, že tranzistor byl vynalezen v roce 1947. První spintronické principy se objevují v osmdesátých letech, spintronické součástky o deset let později. Boom počítačů v druhé polovině dvacátého století stál právě na křemíkové technologii a miniaturizaci, přičemž platil takzvaný Moorův zákon – při zachování stejných nákladů dochází každé dva roky ke zdvojnásobení počtu tranzistorů na jednotku plochy. A to za cenu miniaturizace, kdy se tranzistory stávají stále menšími. Zatímco v roce 1947 měl tranzistor rozměr několika centimetrů, v současné době mají jednotlivé komponenty velikost řádu nanometrů – desetitisíciny tloušťky lidského vlasu. V posledních pěti letech se průmysl skutečně přibližuje hranici, kdy jsou součástky konstruovány jenom z několika málo atomů a začínají se objevovat kvantové jevy, jež způsobují chyby při výpočtech. Říká se, že od roku 2016 přestává Moorův zákon platit. Další miniaturizace součástek už není možná. Uvidíme, jestli spintronika nabídne jedno z alternativních řešení.