Aktuální číslo:

2018/12

Téma měsíce:

Jednotky SI

Krotíme skryté magnety

Cesty k rychlejší, levnější a úspornější elektronice
 |  3. 11. 2016
 |  Vesmír 95, 628, 2016/11

Zatímco tradiční elektronika využívá pouze náboj elektronu, spintronika pouští do hry i jeho spin. Už dnes její principy využíváme v pevných discích nebo v některých typech pamětí. Tomáš Jungwirth z Fyzikálního ústavu AV ČR hraje ve světové spintronice první ligu. Letos s kolegy představil antiferomagnetickou paměť pozoruhodných vlastností.1)

„Z teoretického hlediska jsou mimořádně zajímavé, ale nezdá se, že by měly nějaké praktické využití.“

To o antiferomagnetech prohlásil francouzský fyzik Louis Néel, který v roce 1970 obdržel Nobelovu cenu právě za objevy týkající se této zvláštní skupiny látek. Citát pochází z jeho nobelovské přednášky2) a nikdo se nad ním tehdy nepozastavil. Přesvědčení, že antiferomagnety nemohou být k ničemu dobré, bylo všeobecné. Až mnohem později fyzikové přišli na způsob, jak si je ochočit. A Tomáš Jungwirth se svými kolegy na tom má nezanedbatelný podíl.

Čím jsou antiferomagnety tak zajímavé, že si vysloužily Nobelovu cenu? — Jsou to magnetické materiály, ale jejich magnetismus se projevuje pouze uvnitř. Je to dáno uspořádáním spinů, tedy elementárních magnetických momentů jednotlivých elektronů, které si lze představit jako střelky miniaturních kompasů. Jejich směr určuje výsledný spin atomu. A zatímco v běžných feromagnetech jsou spiny atomů uspořádány všechny jedním směrem, v antiferomagnetech jsou sice také organizované, jejich směr není náhodný, ale jejich orientace se střídá – polovina míří jedním, polovina opačným směrem (obr. 1). Na makroskopické úrovni se proto vyruší a celkový magnetický moment antiferomagnetu je nulový.

Prof. Tomáš Jungwirth, Ph.D. (*1967)

Vystudoval fyziku na MFF Univerzity Karlovy v Praze. Na doktorátu pracoval ve Fyzikálním ústavu AV ČR a na Indianské univerzitě v USA, kde pokračoval jako postdok, následně působil i na Texaské univerzitě. Dnes je vedoucím oddělení spintroniky a nanoelektroniky Fyzikálního ústavu AV ČR , v. v. i., zároveň od roku 2004 působí jako profesor na Nottinghamské univerzitě. V roce 2002 získal Prémii Otto Wichterleho a v roce 2008 Akademickou prémii. Od roku 2009 je členem Učené společnosti ČR . V roce 2011 získal na svůj výzkum v oblasti spintroniky prestižní ERC grant. Je členem vládní Rady pro výzkum, vývoj a inovace a Vědecké rady ERC.

Proto si fyzikové mysleli, že antiferomagnety nelze jako paměťové médium využít? — Ano. Technologie magnetického zápisu je skoro stejně stará jako mechanický zápis, na jehož principu pracuje gramofon. Je tedy jasné, že musela vzejít z fyzikálních principů známých už v 19. století. Ty nám říkají, že když chceme na magnetické médium něco zapsat, musíme poslat proud cívkou. Ta začne indukovat magnetické pole, kterým můžeme ovlivnit permanentní magnet a zapsat do něj data v podobě nul a jedniček. A naopak permanentní magnet vytváří magnetické pole, které na cívce indukuje elektrický signál, a my jsme schopni data přečíst. Dnes už to sice umíme i bez cívky, ale stále potřebujeme, aby se každý element paměťového média, v němž je zapsán jeden bit, navenek choval jako jeden magnetický celek. A to antiferomagnety nesplňují.

Museli bychom tedy cívku omotat kolem jednotlivých atomů? — Nejen to. Ještě bychom ji museli u jednoho atomu namotat jedním směrem a u sousedního opačným, aby korespondovala s jejich spiny. Každá cela, v níž je zaznamenán jeden bit, má přitom řekněme milion až bilion atomů. Je to samozřejmě absurdní představa. Antiferomagnet je sice uspořádaný materiál, což znamená, že má paměť, protože v principu mohu všechny jeho momenty nasměrovat jedním nebo druhým směrem, ale v praxi se zdálo nemožné něco takového uskutečnit.

Vy jste ale ukázali, že to možné je. — Vyšli jsme ze způsobu zápisu, který se dnes používá ve feromagnetech. Není tam už žádná cívka, žádný elektromagnet. Vysvětlit princip nelze bez pochopení relativistické kvantové fyziky, ale zjednodušeně řečeno do feromagnetu pošlete elektrický proud, který způsobí, že se uvnitř vytvoří virtuální cívka. Není tam namotaný žádný drát, ale ta fyzika funguje úplně stejně. A ta virtuální cívka jako by vevnitř vyvolala magnetické pole, které je dostatečně silné na to, aby feromagnet přemagnetovala.

Ale co s tím v antiferomagnetu? — Popsaný efekt jsme pro potřeby antiferomagnetu modifikovali. Jak, na to by opět bylo potřeba ponořit se do relativistické kvantové fyziky. Vybrali jsme vhodný krystal tvořený atomy mědi, manganu a arzenu. Když do něj pošleme elektrický proud, stane se něco zdánlivě magického: virtuální cívky se namotají kolem jednotlivých atomů, a to v souladu s jejich spiny. Díky tomu můžeme antiferomagnet přemagnetovat, zapsat do něj data a potom je přečíst, a to za pokojové teploty (obr. 2).

Proč se o to vlastně snažíte? Nevystačíme si s obyčejnými feromagnety? — Jednak je to zajímavé z hlediska poznání principů, na nichž příroda funguje. Základní výzkum. Ale také to s sebou pro praxi nese několik výhod. Jednou z nich je skutečnost, že antiferomagnetickou paměť nelze přepsat náhodným působením vnějšího magnetického pole, generovaného třeba mobilem, který máte v blízkosti kreditní karty nebo parkovacího lístku s magnetickým páskem. Dříve byla citlivost k magnetickému poli nutnou vlastností magnetického média. Dnes to u nejmodernějších zařízení nepotřebujeme ani k zápisu, ani ke čtení, obojí provádíme elektrickým proudem. Takže z citlivosti pamětí vůči magnetickému poli se stala nevýhoda. Naši antiferomagnetickou paměť jsme trápili v supravodivém magnetu, v poli majícím dvanáct tesla, s tím se v běžném životě nesetkáte. A paměť to nepřepsalo.

A další výhoda? — Souvisí s předchozí. Antiferomagnet neprodukuje žádné magnetické pole, takže se jednotlivé bity neovlivňují, ani když je dáte blízko k sobě. To je při stoupající hustotě zápisu dat čím dál důležitější. Chceme bity ovládat, ne je nechat, aby si povídaly samy mezi sebou. Navíc skutečnost, že feromagnet vytváří vlastní magnetické pole a snaží se ho minimalizovat, diktuje způsob, jakým se rozpadá na jednotlivé magnetické domény.

Co z toho plyne? — Že ve feromagnetu jsme schopni snadno udržet jen dva stavy: nulu a jedničku. To u antiferomagnetu máme možností víc, informaci jsme schopni zapsat v mnoha různých stavech. Když do něj posíláme zapisovací pulsy, jeden ho nastaví nějak, druhý o trochu více, třetí ještě více… Na zápis určitého množství informací potřebujeme méně bitů. Paměť umí zaznamenat hodnotu jednotlivých pulsů a zároveň je počítat. Možná se pokusíme na tom postavit nějakou jednoduchou aplikaci.

Úspěchy a naděje spintroniky

Spin je kvantověmechanická vlastnost elektronů a dalších elementárních částic, která se projevuje jako jeho magnetický moment. Spintronika se ho snaží ovládnout a jeho prostřednictvím řídit chování elektronů v mikroelektronických a optoelektronických součástkách.

První praktickou aplikací spintroniky byla čtecí hlava pevných disků. Zpočátku v ní fungovala obyčejná cívka, ale jak se hustota zápisu zvyšovala, toto klasické řešení přestalo pro čtení dat vyhovovat. Spintronika vstoupila do hry díky tzv. magnetorezistenčním jevům. Ty pracují se skutečností, že elektrony s různě orientovanými spiny se vodičem pohybují s různým odporem. Když spiny elektronů ve čtecí hlavě reagují na magnetické pole datového úložiště, mění se jejich odpor a díky tomu lze informace přečíst. V roce 1990 se začaly používat čtecí hlavy využívající anizotropní magnetorezistenci (AMR). O sedm let později nastoupila její složitější a citlivější obdoba, gigantická magnetorezistence (GMR), za niž v roce 2007 získali Albert Fert a Peter Grünberg Nobelovu cenu, a v roce 2004 tunelová magnetorezistence (TMR).

Spintronické senzory se používají i mimo počítače, například v automobilovém a leteckém průmyslu.

Zatímco spintronické čtení digitálních informací, které nahradilo tradiční cívky, je už řadu let v pevných discích samozřejmostí, teprve nyní se začíná prosazovat i spintronický zápis, který staví na fyzice 21. století a jehož pochopení vyžaduje hluboké znalosti relativistické kvantové fyziky.

Spintronika se využívá ke čtení, nově i k zápisu informací, ale lze ji využít také k jejich ukládání. Kolem roku 2004 se na trhu objevily magnetorezistivní RAM paměti (MRAM). Zatím mají menší kapacitu a jsou dražší než konkurenční řešení, uplatnění proto nacházejí jen ve speciálních aplikacích, například v armádě nebo v letectví. Zatímco tradiční DRA M paměť si informaci pamatuje jen zlomek sekundy a pro její udržení musí být neustále napájena, MRA M si stejně jako flash paměť pamatuje i po odpojení ze sítě. A proti flash paměti je při zápisu rychlejší a úspornější, navíc má mnohem větší výdrž. Naději do budoucna vzbuzují i antiferomagnetické paměti (viz rozhovor s Tomášem Jungwirthem).

Fyzikové se ale učí ovládat spiny i v nemagnetických materiálech, tedy i v polovodičích, jako je křemík, což přináší potenciál řady praktických aplikací. Na experimentálním potvrzení spinového Hallova jevu, který to umožňuje, se před jedenácti lety podílel i Tomáš Jungwirth.3)

Do budoucna si lze představit i tvorbu spinových tranzistorů a celých procesorů s integrovanou pamětí. Velcí hráči počítačového byznysu na tom pracují.

Rozdíl je i v rychlosti, že? — V principu mohou fungovat až o tři řády rychleji než feromagnetické nebo ty nejrychlejší polovodičové paměti. S frekvencí v řádu THz (10–12 s) místo GHz (10–9 s). V článku, v němž jsme v lednu antiferomagnetickou paměť představili, jsme měli časy zápisu nekonečně dlouhé, 10–3 s. Dnes jsme se dostali na 250 pikosekund (pikosekunda = 10–12 s, pozn. red.), takže jsme se během pár měsíců posunuli o sedm řádů. Už teď je naše paměť schopna zapisovat rychleji než nejrychlejší komerční paměti. A měl by tam být prostor pro posun o další dva řády. Takže si lze představit ultrarychlé paměti, které by mohly spolupracovat s optickými procesory nebo s procesy, které jsou mnohem rychlejší než ty, které se dají dělat v elektronických součástkách.

Optický procesor pracující s fotony místo elektronů ale ještě neexistuje. — Zatím ne, ale proč nebýt připraven a nemít rychlou paměť, do níž by se ta informace dala zaznamenávat? Navíc optických signálů je už teď spousta a i ty je třeba nějak počítat a informaci uložit. Počítání laserových záblesků, to se může hodit v mnoha různých situacích. Optický puls je schopen v polovodiči vyvolat velice rychlý elektrický signál, takže převod mezi optickým a elektrickým signálem není problém, ale zatím neexistuje komponenta, která by tento puls byla schopna přeměnit v paměťovou informaci. Antiferomagnety by to v principu umožňovaly. V této souvislosti se nám teď velice hodí, že nezávisle na výzkumu antiferomagnetů jsme se věnovali i možnostem optické manipulace magnetů.

Takže ani vnější magnetické pole, ani elektrický proud, ale optika coby nástroj k zápisu dat? — Přišli jsme s několika principy a pomocí femtosekundových (10–15 s) laserových pulsů4) jsme ukázali, že umíme do feromagnetu informaci jak zapsat, tak ji přečíst. Zajímalo nás to čistě z teoretického hlediska, protože na feromagnety sice můžeme zapůsobit velice rychlým pulsem, ale ony se stejně budou otáčet pomalu. Jejich interní frekvence je v řádu GHz, rychleji nemohou. Byli jsme schopni jejich pomalý pohyb v krátkých časových intervalech skenovat a studovat ho. Teď se nám hodí, že s tím máme zkušenosti, protože antiferomagnety by se samy měly pohybovat tak rychle, že optický zápis může mít praktický význam.

Mluvil jste o aplikaci, která by využila schopnost antiferomagnetické paměti počítat zapisovací pulsy. Co si pod ní představit? — Představte si úkol spočítat automobily projíždějící po ulici. Zdá se to být triviální problém, ale potíž je, že k tomu nechcete využít ten nejnadupanější procesor, který by dokázal pracovat na dostatečných frekvencích. Součástku za 50 eur. Cenově ani energeticky to není možné, protože takových detektorů potřebujete spoustu. Chytrá města, internet věcí, to jsou koncepty, které mají energii a peníze šetřit, ne naopak. Takže potřebujete jednoduchý počítač spojený s pamětí. Nemusí to být nic komplikovaného, nepotřebujete gigabyty. Napočítáte pár čísel a pošlete je pryč. Ale musí to být rychlé, energeticky nenáročné a levné. A dosáhnout toho s dnešními součástkami prakticky není možné.

Kdežto? — Antiferomagnetická paměť pracuje s dostatečnou frekvencí, umí sama počítat a nepotřebuje žádné napájení. Auto přejede přes piezoelektrický drát, natažený trochu šikmo, aby zaznamenal všechna čtyři kola. Tlak kol v drátu vyvolá elektrické napětí a paměť zaznamená signál. Jednotlivé signály od sebe dělí něco mezi mikro- a milisekundou, to není problém. Z paměti pak stačí data třeba jednou za pět minut načíst a odeslat ke zpracování.

Potřeba podobných zařízení v současné době roste – v souvislosti s chytrými městy, průmyslem 4.0… — Když se ohlédneme takových deset let nazpět, vývoj hardwaru spočíval ve snaze vyrábět stále výkonnější počítače. Jedno zařízení s co největší pamětí a nejrychlejším procesorem. Dnes je to úplně jinak. Ano, stále chceme mít výkonný počítač s obrovskou kapacitou, ale nestojí nám na stole. Pokrývá celou zeměkouli. A komponenty toho počítače jsou malinké, nenáročné, dohromady tvoří grid. Předtím byl tlak na to, aby mikročipy byly lepší a lepší, teď je důležité, aby byly levné a úsporné – a přitom nevadí, že budou méně výkonné, nepotřebujeme to. Počítač se strčil do sítě a nikoho moc nezajímalo, jakou mají jeho čipy spotřebu. Ale kdybychom stejné čipy rozmístili po městě, nebudeme dělat nic jiného než u nich vyměňovat baterie.

Materiál pro antiferomagnetickou paměť je přírodní, nebo byl připraven uměle? — Ten krystal tvořený atomy mědi, manganu a arzenu může v principu narůst i rovnovážně a mohl by existovat i v přírodě, ale pro součástky tohoto typu jsou potřeba tenkovrstvé materiály s vysokým stupněm čistoty. Takže i kdybychom měli přírodní zdroj, museli bychom krystal vyrobit v kontrolovaných podmínkách. Shodou okolností jsme ho měli „v šuplíku“, protože jsme ho vyvíjeli z jiného důvodu.

Kdybychom uvažovali o komerčním využití, nebyla by jeho výroba v průmyslovém měřítku příliš drahá? — To je samozřejmě otázka. My ho vyrábíme na experimentálním zařízení, což je vždy drahé. Ale je to technologie, která se dá přenést do průmyslové výroby. Existuje precedens v normálním polovodičovém průmyslu: tento způsob přípravy krystalů se používá, i když není nejlevnější. Polovodiče pro nejjednodušší aplikace se vyrábějí z přírodního křemíku. Ale pro náročnější tranzistory, například pro mobilní telefony, je potřeba arzenid gallitý. A ten se vyrábí metodou molekulární epitaxe, krystaly rostou v aparatuře po atomových vrstvách. Tato metoda byla původně laboratorní, ale existují i plně automatizované průmyslové verze, které jsou asi dvoutisíckrát levnější, a šlo by je využít i pro výrobu našich krystalů.

S kým vaše skupina ve Fyzikálním ústavu AV ČR spolupracuje? S Univerzitou v Nottinghamu, na níž jste profesorem? — Hlavní spolupráce probíhá na ose Praha–Nottingham, ale konstantní čtyřúhelník s námi tvoří další dva subjekty: laboratoře v Cambridgi a teoretici, kteří dříve sídlili v Texasu a před dvěma lety se přesunuli do Německa na Univerzitu v Mainzu. Spolupráce těchto čtyř partnerů je neustálá a velmi intenzivní, na to se nabalují další krátkodobé spolupráce na konkrétních experimentech a každý z nás samozřejmě může mít i další samostatné projekty.

A co firmy, neozývají se s nabídkami, abyste pracovali pro ně? — Od roku 2007 máme smlouvu o spolupráci a společné ochraně intelektuálního vlastnictví s Hitachi Europe. Oni mohou financovat mnoho patentů ročně, což akademická instituce není schopna. Pokud by něco z našich počinů dospělo ke komerčnímu využití, k nám do ústavu by plynuly podíly z licenčních poplatků. Podporují nás i přímo, díky nim jsme mohli nakoupit přístroje v řádu milionů korun. A možná nejdůležitější pro nás je, že disponují laboratořemi a vybavením, které my nemáme, včetně přípravy materiálů a diagnostiky. Můžeme zdarma využívat zařízení, ke kterému bychom se jinak nedostali, nebo velmi nákladně. A dále spolupracujeme s menší španělskou firmou IGSresearch, díky níž můžeme dělat věci, které bychom s Hitachi nikdy nedomluvili, protože rozhýbat je ve firmě se stovkami tisíc zaměstnanců a několika úrovněmi managementu by bylo velmi těžké.

Například? — Právě čip s antiferomagnetickou pamětí, která umí počítat. Sami máme malou litografickou laboratoř, takový „mini‑Intel“. Jsme schopni připravit si materiál a vyrobit z něj čip, pracujeme s rozlišením desítek nanometrů. Čip pak vložíme do experimentálního zařízení, v němž jsme schopni ho různě proměřovat. Ale to je něco úplně jiného než mít ho v podobě zařízení, které lze přes USB zapojit do počítače. Postavit kolem něj celý tištěný obvod, to neumíme. Normální firma by to pro nás také neudělala. Najděte firmu, která vyrobí prototyp něčeho, co zatím k ničemu není, je to jen demonstrace fyzikálního principu! Je to unikát, a proto je to drahé. A ta španělská firma IGSresearch právě toto umí. Dali jsme do toho peníze z evropského grantu a během čtrnácti dnů jsme měli hotové USB.

Čím jste tu firmu přesvědčili? — Patří rodině kolegy, který teď působí u nás. Dokáže přemýšlet o možných aplikacích naší práce. A před časem se rozhodl, že z běžně dostupného spintronického senzoru udělá detektor na automobily, který by dokázal sledovat zaplněnost garáží a parkovišť. Vyzkoušeli jsme to v garážích Akademie věd na Národní třídě a po třech letech jsme už ve stavu, kdy se přes Telefónicu dodávají stovky detektorů měsíčně ve Španělsku a Jižní Americe. Nedávno jsme i v Česku navázali obdobné partnerství s firmou E.ON. Cestu od nápadu na trh jsme si tedy prošlápli a teď bychom rádi podobnou věc zopakovali, ale už se spintronickými součástkami, které jsme sami vymysleli. Třeba s těmi antiferomagnetickými. Nebýt té španělské firmy, nikdy bychom to nerozjeli.

Mohli byste založit start-up. — A pohořeli bychom. Člověk v novinách čte o úspěšných projektech, ale to jsou vyzobané třešničky. Naprostá většina start-upů končí neslavně. Vědci dostanou nápad, seženou grant, tři roky z něj žijí a pak skončí. Peníze dojdou dříve, než se začnou vložené prostředky vracet nebo se najdou silní investoři. I v principu životaschopné projekty potřebují zpravidla více času, než si start-up může dovolit. U těch parkovacích detektorů jsme měli štěstí, že jsme je mohli svěřit rodinné firmě, která existovala už předtím a měla jiné zakázky. Kdybychom založili start-up, dávno by se položil.

Poznámky

1) Wadley P. et al., Science, DOI: 10.1126/science.aab1031

2) http://jdem.cz/cgccj6 (PDF).

3) Wunderlich J. et al., Phys. Rev. Lett., DOI: 10.1103/PhysRevLett.94.047204

4) Vesmír 76, 138, 1997/3.

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Fyzika
RUBRIKA: Rozhovor

O autorovi

Ondřej Vrtiška

Mgr. Ondřej Vrtiška (*1976) je původním vzděláním biolog se specializací na hydrobiologii (PřF UK), utekl z oborů žurnalistika a kulturní antropologie (obojí FSV UK). Od r. 2001 pracuje jako vědecký novinář, na téma „věda v médiích“ přednáší pro vědce i pro laickou veřejnost. Z úžasu nevycházející pozorovatel memetické vichřice. Občas napíná plachty, občas staví větrolam.
Vrtiška Ondřej

Doporučujeme

Poprask kolem dvojčat, prvních dětí s editovaným genomem

Poprask kolem dvojčat, prvních dětí s editovaným genomem

Jaroslav Petr  |  13. 12. 2018
V čem udělali čínští soudruzi chybu? Čínský experiment odstartoval genetické vylepšování lidstva bezpříkladně zpackaným způsobem.
Tanec mezi pravděpodobnostmi

Tanec mezi pravděpodobnostmi

Ondřej Vrtiška  |  3. 12. 2018
Forenzní genetička Halina Šimková donedávna v Kriminalistickém ústavu Praha analyzovala DNA a pomáhala odhalovat vrahy, násilníky a zloděje. To ji...
Sedm základních kamenů

Sedm základních kamenů

Ivan Boháček  |  3. 12. 2018
Začalo to metrem. Ve dnech, kdy jde toto číslo Vesmíru do tiskárny, probíhá ve Versailles 26. konference pro váhy a míry (CGPM, Conférence...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné