Elegance fyziky
| 1. 6. 2026Po letech strávených ve Spojených státech a Německu se před časem vrátila do Prahy a sleduje zde kvantové jevy v různých materiálech. „Ve fyzice platí univerzální pravidla a dává člověku dobrý základ,“ říká Helena Reichlová. Nápady jejího týmu jednou mohou pomoci ušetřit energii tím, že umožní využít odpadní teplo k zápisu dat.
Zpočátku jste se věnovala spintronice. O co vlastně jde? — Je to obor elektroniky, v němž se k ukládání, přenosu a zpracování informací nevyužívá pouze náboj elektronu, ale také jeho spin, tedy kvantová vlastnost, kterou si můžeme představit jako rotaci. Umožňuje vytvářet spintronické součástky, jejich typickým příkladem je magnetoresistive random-access memory (MRAM), která slouží k ukládání dat v elektronických zařízeních (Vesmír 99, 200, 2020/4).
Nyní se věnujeme hlavně spinkalotronice. Tam se spin nesnažíme kontrolovat pouze elektrickým proudem, ale i pomocí teplotního gradientu, tedy rozdílu teplot. A vedle toho se pouštíme i do magnoniky, která studuje chování a využití tzv. magnonů, tedy vln spinů.
„Spiny mohou cestovat buď na elektronech, které se skutečně pohybují, nebo ve formě vlny na řadě nepohybujících se elektronů. Ta se dá přirovnat k mexické vlně na stadionu.“
Váš výzkum má jednou umožnit využívat odpadní teplo k ukládání informací v datacentrech. Jak by vše fungovalo? — Chceme hlavně porozumět fundamentálním fyzikálním principům a objevit i principy nové. Děláme základní výzkum a naším cílem není samotné inženýrské zpracování. Ale u toho přemýšlíme, k čemu by se naše výsledky mohly využít v praxi. Odpadní teplo je v elektronice jedním z velkých témat. V současnosti neexistuje žádný plošně využívaný způsob, jak ho efektivně recyklovat. Většinou se odvádí a snažíme se ho zbavovat chlazením. Pokud by třeba jenom malá část tohoto tepla šla využít ke čtení informací a k zápisu by se stále používala elektrická energie, byl by to přínos. A to zejména pro datová centra.
Myšlenka je taková, že existují fundamentální fyzikální principy, které zajistí, aby odpadní teplo fungovalo podobně jako elektřina. Máme teplo, které někam proudí, a ten proud generuje elektrické napětí, které je využíváno v termoelektrických součástkách. Navíc tento proud tepla neboli teplotní gradient může generovat nejenom proud elektronů, ale přímo proud spinů. A to už začíná být velmi zajímavé.
Proč? — Elektrony jsou částice, které do sebe narážejí, zahřívají se, takže přesouvat proud elektronů není úplně energeticky nenáročné. Ale pokud máme teplotní gradient schopný generovat proud spinů, nemusí se při transportu spinů energie vůbec spotřebovávat. Spin je čistě kvantová vlastnost a sám o sobě se při pohybu nezahřívá.
Spouštěčem je tedy rozdíl teplot? — Přesně tak. Jenom samotné teplo spiny nevygeneruje. Jakmile ale teplo proudí, vzniká spinový proud. Když tu spoustu krásné fyziky velmi zjednoduším, tak spiny mohou cestovat buď na elektronech, které se skutečně pohybují, nebo ve formě vlny na řadě nepohybujících se elektronů. Ta se dá přirovnat k mexické vlně na stadionu, kdy diváci, tedy elektrony sedí, jeden z nich zvedne ruku symbolizující spin, pak ji zvedne další v řadě a další. A vlna se tak může šířit z jednoho místa na druhé. Stejně se chovají spiny. Elektrony zůstávají na místě, jen se jejich spin třeba trochu natočí, ale přesto zvládnou informaci nebo signál přenést.
V jakých materiálech vzniká mexická vlna? — Ve většině magnetických materiálů, nejlépe se studuje v magnetických izolátorech. V praxi to funguje tak, že elektrony, ale i další částice mají svůj spin. V kovech elektrony skutečně cestují z bodu A do bodu B a já v cíli měřím jejich spin. V izolátorech elektrony sedí na místě a jejich spiny spolu pouze komunikují a my pak měříme tuto vlnu na spinech.
Můžeme se s vlnami spinů setkat také ve vodivých materiálech? — Ano. Tam ovšem působí dva mechanismy účinku zároveň, jednak se tam vyskytují pohybující se elektrony, jednak vlny spinů. A při analýze je potřeba od sebe tyto jevy odseparovat, a je tak o dost těžší dostat se k výsledku. V nejjednodušší variantě se magnonika studuje v izolátorech, kde nejsou rušivé vlivy pohybujících se elektronů.
Takže během výzkumů porovnáváte, co se děje v různých materiálech? — Přesně tak. To je podstata naší práce. Sledujeme, jak dobře se daří v daném materiálu generovat pohybující se spin nebo vlnu spinů. Děláme v podstatě materiálový výzkum kombinující fyziku a chemii. Bereme postupně vzorky a měníme průtok tepla. Vzorky zkoumáme ve formě tenkých vrstev nebo objemových krystalů. V obou případech potřebujeme k materiálu připojit elektrické kontakty, případně teploměry a zdroje tepla. V případě objemových krystalů buď připojíme drátky přímo na krystal, nebo pomocí svazku iontů vyřízneme menší část, kterou následně kontaktujeme pomocí litografie. V případě tenkých vrstev vyrábíme jednoduché součástky, které umožňují studovat vlastnosti materiálu téměř výhradně pomocí optické nebo elektronové litografie.
Nyní vidíte 25 % článku. Co dál:
Doporučujeme
Příliš otevřené dveře
Tranzistor na bázi bismutu 
