Revoluční antiferomagnety českých vědců

Širokou pozornost vzbudily objevy mezinárodního vědeckého týmu projektu ASPIN pod vedením Tomáše Jungwirtha z Oddělení spintroniky a nanoelektroniky Fyzikálního ústavu AV ČR.

K vytvoření nového typu paměti totiž jeho členové jako první na světě použili antiferomagnety, tedy materiály, o jejichž využitelnosti se dříve nespekulovalo ani teoreticky. Nové objevy nejen umožňují tisícinásobně rychlejší zápis do pamětí, ale mají i slibné aplikace v oblastech jako umělá inteligence a neuronové sítě.

Ve feromagnetických materiálech jsou spiny elektronů orientované jedním směrem a tím společně přispívají k magnetizaci látky. Díky tomu je možné je snadno ovládat, např. pomocí magnetického pole, a detekovat. Zároveň po vypnutí zapisovacího magnetického pole zůstávají spiny společně a trvale v zapsaném směru a mohou tak sloužit k ukládání informace. V nemagnetických materiálech jsou spiny elektronů orientovány nahodile, magnetizace je nulová a nedají se proto využít pro paměti.

Antiferomagnety, na které se projekt ASPIN zaměřuje, se navenek chovají jako běžné nemagnetické materiály. Spiny elektronů v nich ovšem nejsou orientovány nahodile, ale jejich orientace se pravidelně střídá od jednoho ke druhému atomu v mřížce. Materiál má tedy v sobě dvě prolínající se magnetizace orientované opačným směrem a jejich účinek se tak navenek navzájem ruší. Z tohoto důvodu se antiferomagnety dlouho zdály být nezajímavé pro praktické využití.

Vědci z Fyzikálního ústavu však představili nejen nové fyzikální jevy, kterými lze antiferomagnety použít k zápisu, čtení a ukládání informací, ale ukázali i experimentální zařízení, které je možné připojit k běžnému počítači a ukázat na něm princip antiferomagnetické paměti.

U běžných magnetických pamětí slouží k zápisu informací obyčejné elektromagnetické cívky. Vzhledem ke struktuře antiferomagnetických materiálů bylo ale potřeba vytvořit podobné „cívky“ přímo u jednotlivých atomů. K tomu napomohla krystalová struktura zkoumaných antiferomagnetů CuMnAs nebo Mn2Au, které si při průchodu běžného elektrického proudu takové virtuální atomové cívky vytvoří samy od sebe.

Nový způsob zápisu informací může v budoucnu zrychlit práci počítačů, protože pro záznam stačí extrémně krátké – pikosekundové – elektrické výboje, což je tisíckrát kratší doba než v dnes používaných feromagnetických součástkách. Přečtení informace je také relativně snadné, protože se při zápisu mění elektrický odpor materiálu.

Antiferomagnetická paměť má i další překvapivé vlastnosti. Například nemusí být binární (klasické počítačové paměti používají zápis do dvojkové soustavy ve formě jedniček a nul), protože může měnit odpor postupně, a nedokáže ji narušit ani velmi silné vnější magnetické pole.