Antiferomagnetická spintronika – Cesta k počítačům budoucnosti

A co to antiferomagnetická spintronika vlastně je? Samotný výraz spintronika vznikl ze slov spin a elektronika. Spin obecně představuje rotaci, ale v našem případě budeme mluvit o rotaci elektronů, které můžeme běžně najít v atomech. A zatímco klasická elektronika využívá náboje elektronů, spintronika se zaměřuje na manipulaci s rotacemi elektronů, které ovlivňují magnetické vlastnosti materiálů. Jelikož každý elektron rotuje kolem své vlastní osy (obr. 1), vytváří magnetické pole.¹ Celkové magnetické vlastnosti materiálu jsou pak výsledkem vzájemného ovlivňování těchto malinkých magnetických polí. Díky manipulaci s jednotlivý spiny je tak možné měnit magnetické chování materiálu napříč materiálem.

Díky tomu mezi nejperspektivnější a nejzajímavější aplikace tohoto odvětví jednoznačně patří možnost ultrarychlého velkého množství dat v počítačích. S příslibem takového úspěchu nedávno přišla skupina zmíněného prof. Jungwirtha zabývající se konkrétně antiferomagnetickou spintronikou.

Antiferomagnetická spintronika využívá materiály s antiferomagnetickými vlastnostmi. O těch jste možná ještě neslyšeli. Určitě vám ale něco říkají vlastnosti feromagnetické, kterými se vyznačuje například železo, ale také třeba nikl či kobalt. K tomu je v našem případě přidána latinská předpona „anti“, která znamená „proti“. Antiferomagnetické vlastnosti jsou tedy jakýmsi protikladem vlastností feromagnetických. 

Co to ale přesně znamená? Antiferomagnetické materiály se od feromagnetických liší uspořádáním magnetických momentů v krystalické mřížce (obr. 2). Feromagnetické materiály jsou uspořádané tak, aby jejich magnetické momenty měly stejný směr. Díky tomu se všechny tyto malé momenty navzájem posilují, což vede ke vzniku velmi silného magnetického pole. Z tohoto důvodu se feromagnetické materiály používají pro výrobu trvalých magnetů – včetně takových, jaké míváme připevněné na ledničkách, ale také těch, které se používají na zvedání těžkých břemen jako jsou automobily.

Naproti tomu antiferomagnetické materiály mají ve své struktuře magnetické momenty uspořádány tak, že sousední oblasti jsou vždy orientované navzájem opačně, což vede ke vzájemnému vyrušení jejich magnetických momentů a k nulovému magnetickému poli v okolí antiferomagnetika.² Tyto materiály jsou tedy celkem netečné vůči tomu, co se kolem nich děje.

Jak ale využít této vlastnosti antiferomagnetik pro ukládání dat? Sám Louis Néel, ohromný vědec působící v oblasti magnetismu, ve své přednášce při přebírání Nobelovy ceny v roce 1970 řekl, že antiferomagnety „jsou extrémně zajímavé z teoretického hlediska, ale zdá se, že nemají žádné využití”.³ To se ale přeci jen našlo. Abychom však mohli odpovědět na původní otázku, v čem výhoda antiferomagnetismu spočívá, je třeba pochopit současný běžně používaný způsob zápisu informací v počítačích.

Aby byl způsob zápisu co nejjednodušší, tak veškeré informace v počítači jsou uloženy v podobě nul a jedniček. Nejčastěji na magnetickém pevném disku (HDD), který se otáčí. Zápis a čtení dat probíhá pomocí mechanické hlavy, která je umístěna nad diskem. Při zápisu jí počítač posílá signály a hlava se při tom pohybuje nad magnetickým povrchem disku a vytváří magnetické pole, které lokálně mění orientace magnetických dipólů. Rozdílné orientace dipólů pak mohou být čteny jako zmíněné nuly a jedničky.

Jedním z problémů klasických feromagnetických součástek je však právě jejich citlivost na magnetické pole, která nemusí být vždy žádoucí, naopak někdy může rušit. Zápis jedné nuly či jedničky může ovlivňovat okolní nuly a jedničky, protože každá z nich představuje miniaturní magnet, který působí na ty další. A tím se dostáváme k výhodnosti antiferomagnetik, jelikož tento problém u nich nenastává. Působí-li magnet na antiferomagnetika, tak na polovinu atomů má magnetické pole vliv posilující a na druhou polovinu přesně opačný; celkový vliv je tedy nulový.

U antiferomagnetik se proto využívá zcela jiná technika zapisování informací než u feromagnetik: pomocí elektrického impulzu se v materiálu vyvolá otočení magnetického momentu u více jednotlivých atomů v jedné malé oblasti. Pak sice součet magnetických momentů v dané oblasti zůstane beze změny (nulový), protože dál bude polovina spinů mířit jedním a druhá polovina opačným směrem, jenže změní se při tom – a v tom je ten trik – orientace celé oblasti. Daná oblast pak bude představovat buď jedničku, nebo nulu.⁴
Z pohledu aplikace by zápis dat do antiferomagnetických materiálů mohl umožnit více než tisícinásobné urychlení samotného pamatovacího procesu počítače a zároveň snížení spotřeby energie oproti situaci, kdy se využívají disky z feromagnetických materiálů. Aplikace antiferomagnetických materiálů pro ukládání dat ale nabízí i větší hustotu uložených dat, vyšší stabilitu u vyšších teplot a už výše zmíněnou menší citlivost na magnetická pole okolí. Nicméně oproti feromagnetickým diskům, již velmi rozšířeným a relativně levným, jsou ty antiferomagnetické stále teprve v raném vývoji a mají vysoké náklady na výrobu.
Antiferomagnetická spintronika je stále relativně novou oblastí výzkumu, ale vědci jako prof. Tomáš Jungwirth a jeho tým již dokázali předvést, jak by se mohla používat v praxi. Je možné, že pokrok v antiferomagnetické spintronice se stane zásadním příspěvkem k vytvoření nové generace počítačových a jiných technologií, která bude mnohem rychlejší a spolehlivější oproti té současné.

Obrázky: Úvodní snímek – Vytvořen autorem pomocí programu Bing / Obrázek 1 a 2 - Zdroj autor

¹ Jak někteří mohou znát z hodin fyziky, pohybující se náboj je zdrojem magnetického působení. Jinak tomu není ani v případě záporně nabitého elektronu, když se pohybuje kolem vlastní osy. Představa rotujícího elektronu je ovšem značně zjednodušená, protože uvažuje o elektronu jako o točící se kuličce.

² Příkladem antiferomagnetických materiálů jsou chrom či slitina manganu, mědi a arzenu.

³ https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1970/neel/biographical/

⁴ Tento způsob zápisu není omezen jen na jedničky a nuly. Pomocí různého počtu elektrických pulzů a rozdílnosti jejich délek by bylo možné zaznamenávat do dané oblasti více informací. V současnosti si však vystačíme s jednoduchou variantou jedniček a nul.