Spintronika na terahertzových vlnách

Spintronika, věda o spinové elektronice, se stále častěji ohlíží po partnerovi z ultrarychlé branže. Bude ale manželství s terahertzovou spektroskopií z neobvyklého koutu elektromagnetického spektra šťastné a trvalé?¹⁾

Když v říjnu 2021 startovala z mysu Canaveral sonda NASA Lucy a zahajovala svoji dlouhou cestu k Jupiterovým asteroidům, nesla na palubě nenápadnou spintronickou součástku s označením MRAM (z anglického Magnetic Random Access Memory) – paměť, která si právě odbývala svou kosmickou premiéru. Tyto magnetické RAM jsou na trhu necelé tři roky a představují nový koncept krátkodobého ukládání dat, který je energeticky úspornější, na rozdíl od konvenčních pamětí RAM se data nesmažou, když odpojíme napájení, a jsou řádově rychlejší, než je tomu u klasických flashek. Jde o zajímavý a praktický výstup spintronického výzkumu, který si získává pozornost nejen v exotických vesmírných programech, ale snad jej brzy najdeme i v běžnější nositelné elektronice nebo v internetu věcí.

Spintronika je věda o využití spinu, vnitřního magnetického momentu částic, pro záznam a zpracování dat, a rozvíjí tak typicky elektronické aplikace. Že nejde jen o akademický výzkum, dokázala už v devadesátých letech, kdy nastartovala revoluci v čtení dat uložených na magnetických pevných discích. Stál za ní v roce 1988 objev gigantické magnetorezistence (GMR) Alberta Ferta a plzeňského rodáka Petera Grünberga, za který dostali o devatenáct let později Nobelovu cenu. Tento jev vzniká ve dvojicích tenkých magnetických vrstviček (jako na obr. 1A), z nichž horní má orientaci magnetizace pevnou a spodní můžeme přepnout. Například tím, že tento sendvič přiblížíme k místu, kde je na pevném disku zapsaný magnetický bit informace – volná vrstva se otočí podle jeho orientace. Pokud dvojvrstvou pustíme elektrický proud, jeho odpor bude záviset na relativním otočení magnetizace horní a spodní vrstvy. Rozdíl v elektrickém odporu může dosahovat až 100 %, což bylo do té doby pro magnetorezistenci, jak se obecně takové závislosti na magnetizaci říká, naprosto nepředstavitelné. To z gigantické magnetorezistence dělá mimořádně efektivní senzor pro záznamová zařízení. Proto také po nasazení této technologie v polovině devadesátých let zvýšily pevné disky dramaticky hustotu uložených dat a na trhu se začaly objevovat kapacity dosahující desítek gigabytů. A to byl koneckonců důvod té Nobelovy ceny.

Spintronické jevy a materiály. A. Princip gigantické magnetorezistence (GMR), kde elektrický proud protéká skrz dvojici shodně orientovaných magnetických vrstev snadněji než v případě vrstev orientovaných antiparalelně. Na tomto jevu jsou založeny senzory pro záznamová zařízení. B. Srovnání magnetického uspořádání a vnějšího magnetického pole feromagnetu a antiferomagnetu. C. Princip anizotropní magnetorezistence (AM R), kde obtížněji protéká elektrický proud ve směru orientace magnetických momentů feromagnetů nebo antiferomagnetů.

Dnešní kapacity disků běžně přesahují 10 terabytů a dva roky po vydání tohoto článku budou jistě opět dvojnásobné. Udržet takový exponenciální růst záznamové hustoty vyžaduje neustálý přísun nových technologií a konceptů. A opravdu: od zařazení prvních senzorů gigantické magnetorezistence přicházely co pět let jejich různé úpravy, od inženýrských vylepšení až po nové fyzikální alternace tohoto jevu.²⁾ Stále je ale většina digitálně uložených dat následně čtena obdobným fyzikálním mechanismem. Dokonce i nejmodernější komerčně dostupné spintronické paměti, jako jsou zmiňované MRAM, využívají onen starý dobrý princip gigantické magnetorezistence.