I díky spintronice dnes nazýváme data ropou 21. století

Spintronika je rychle se rozvíjející moderní obor materiálového výzkumu, mikroelektroniky a fyziky pevných látek s velkým vědeckým i aplikačním významem. Hraje klíčovou roli v oblasti magnetických pamětí a senzorů. Na prohloubení našich znalostí v této oblasti pracoval v rámci projektu Grantové agentury České republiky „Centrum spintroniky“ v letech 2014–2018 tým více než 20 vědců a studentů pod vedením profesora Tomáše Jungwirtha z Fyzikálního ústavu Akademie ČR. Projekt byl velmi úspěšný. Bylo vytvořeno přes 85 publikací uveřejněných v zahraničních vědeckých časopisech s vysokým IF. Deset článků s výsledky projektu mezi lety 2014-2018 je dnes na Web of Science označeno jako „Highly Cited Paper“, tedy do 1 % nejcitovanějších v oboru. V projektu byly získány významné výsledky v oblasti relativistických spintronických jevů, které byly využity pro vytvoření nového konceptu paměťových součástek založených na antiferomagnetických materiálech.

Pane profesore, můžete na úvod více vysvětlit termín „spintronika“?

Na rozdíl od běžné polovodičové mikroelektroniky, založené na náboji elektronu, využívá spintronika také spin elektronu. Z hlediska praktického využití můžeme najít základy oboru už na konci devatenáctého století, kdy vedle gramofonu byl vynalezen i zvukový záznam na magnetický drát, později pásek nebo disk. Spiny elektronu měly na svědomí ale pouze magnetismus na záznamovém médiu, zatímco k zápisu a čtení zvuku a později dat se používaly elektromagnety (cívky) využívající zase jen proudy nábojů elektronů.

O aplikované spintronice tak většinou hovoříme až v případě, kdy spin elektronu hraje klíčovou roli také při čtení nebo i zápisu informace v paměťovém zařízení. Spintronické součástky pro čtení bývají nazývany magneto-odpory, protože stejně jako záznamové medium jsou konstruovány z magnetických materiálů. První magneto-odpor popsal už lord Kelvin v polovině 19. století, ale cívku pro čtení informace na pevných discích nahradil až v devadesátých letech 20. století.

Tato historická varianta ale byla na přelomu tisíciletí nahrazena nově objeveným tzv. gigantickým magneto-odporem a v té době se taká ujal termín spintronika. Díky gigantickému magneto-odporu, za který byla v roce 2007 udělena Nobelova cena, hrají dodnes pevné disky klíčovou úlohu pro ukládání informací a bez nich by nebyl představitelný exponenciální nárůst množství dat, které dnes máme přes internet k dispozici.  I díky spintronice tak dnes nazýváme data díky jejich ekonomickému významu ropou 21. století.

Aplikovaná spintronika ovšem nekončí u pevných disků. Dnes existují i komerční magnetické operační paměti, které kombinují možnost trvalého uložení informace jako u polovodičových „flash“ pamětí s rychlostí polovodičových operačních pamětí.  Otevírají se tak nové možnosti integrace a energetické úspornosti v mikrosoučástkách. To jsou zvlášť důležité parametry pro rodící se svět internetu věcí a pro zpracování obrovského množství dat např. pomocí nástrojů umělé inteligence.

Z hlediska základní fyziky bylo pochopení elektronového spinu jedním z prvních významných úspěchů kvantové relativistické fyziky, která se zrodila ve dvacátých a třicátých letech 20. století. Po sto letech ale stále zůstává mnoho otevřených otázek okolo kolektivního chování spinů v krystalech, které způsobuje magnetické chování látek. Stále také přicházíme na nové jevy, které se týkají vzájemného ovlivňování spinu a magnetismu na jedné straně a elektrických proudů nebo optických pulzů na straně druhé. Některé z objevů posledních desetiletí si už hledají cesty ve vývoji nových typů magnetických pamětí, jiné otvírají budoucí možnosti např. v zápise informace ultra-rychlými optickými záblesky nebo ve vývoji součástek pro umělé neuronové sítě.

prof. Tomáš Jungwirth, Ph.D.

Můžete laikovi přiblížit, co bylo cílem projektu?

Původní projekt navazoval na dřívější práce našeho týmu, kdy jsme spoluobjevili tzv. spinový Hallův jev. Kvantová relativistická fyzika v něm dává možnost během elektrického proudového pulzu dočasně zmagnetovat libovolný vodič, tedy i takový, který je vyrobený z nemagnetického materiálu. Později se ukázalo, že když je takový spinový Hallův vodič v kontaktu s magnetickým médiem, tak do něj dokáže elektricky zapsat data. Dnes je tento jev podstatou komerčního vývoje nového typu magnetických operačních pamětí s vysoce efektivním způsobem elektrického zápisu.  Kromě této oblasti jsme v projektu zkoumali, jak obdobné principy zápisu rozšířit z elektrických pulzů do ultra-krátkých optických záblesků. A nakonec jsme i začali zkoumat, jak obdobné fyzikální jevy využít ke konstrukci magnetických pamětí založených místo feromagnetů na tzv. antiferomagnetech.

Ty se vyskytují mnohem častěji než feromagnety, ale zůstávaly téměř neprobádané a bez praktického využití. Sousední atomy v krystalu totiž mají své magnety orientované opačným směrem (odtud název antiferomagnet), takže navenek se takovéto magnetické uspořádání obtížně detekuje a ovládá. My jsme ukázali, že s pomocí kvantové relativistické fyziky to jde nakonec docela snadno, takže jsme mohli zkonstruovat i demonstrační prototyp antiferomagnetické paměti ovládané z počítače přes běžné USB rozhraní. Jednou z výhod takové paměti je odolnost vůči i velmi silným rušivým magnetickým polím. Další je pak o mnoho řádů vyšší rychlost zápisu a vlastnosti, které se blíží více neuronům v mozku než klasickým digitálním počítačovým součástkám. Tady už ale předbíhám do výsledků navazujícího projektu GAČR-EXPRO, který řešíme od roku 2019.

Laboratoř materiálů

Jak probíhala samotná práce na projektu?

Výzkum probíhal, a i dále probíhá, ve společné Laboratoři opto-spintroniky Fyzikálního ústavu Akademie věd a Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy s více než dvaceti vědci a studenty a také techniky, kteří pomáhají udržovat v chodu komplikovaná laboratorní vybavení. Ta zahrnují metody od přípravy samotných magnetických materiálů po jednotlivých atomových vrstvách a výroby součástek nanometrových rozměrů až po optické experimenty na časových škálách femtosekund. Důležitou součástí našeho týmu je i teoretická skupina pro výpočty materiálových vlastností a fyzikálních jevů z prvních principů a pro modelování spintronických součástek. Přestože tak „doma“ umíme realizovat celý řetězec prací od teoretické předpovědi až po realizaci experimentální součástky, tak velmi intenzivně spolupracujeme s dalšími skupinami v Česku i v zahraničí. Tyto spolupráce podporují mimo jiné evropské granty (např. dva granty Evropské výzkumné rady) nebo soukromé subjekty jako firma Hitachi nebo Nadační fond Neuron.

 

Potvrdily se předpoklady a cíle, se kterými jste do projektu šli?

Například oblast výzkumu antiferomagnetických pamětí byla v původním projektu jen okrajová. Výsledky nicméně vysoce předčily naše původní očekávání a obor se dnes již ve světě etabloval jako samostatná rychle se rozvíjející disciplína. To dokládá například pozvání přednést v roce 2018 plenární přednášky na třech nejvýznamnějších mezinárodních kongresech o magnetizmu v Asii, USA a Evropě a pozvání koordinovat přípravu speciálního vydání časopisu Nature Physics v roce 2018 k tématu antiferomagnetické spintroniky za účasti 24 předních světových pracovišť.

Laboratoř optiky

Jsou zjištěné informace nějak využitelné v praxi?

Jak jsem zmínil výše spinový Hallův jev, který jsme také v projektu dále studovali, je dnes již ve stádiu komerčního vývoje magnetických pamětí. Naše původní pozorování jevu je ale práce stará již více než patnáct let. Výzkum antiferomagnetické spintroniky je obor, který se teprve rodí, takže je obtížné odhadnout v jakém časovém rámci bychom se mohli dočkat prvních aplikací. Již dnes je ale součástí našeho týmu skupina inženýrů, kteří připravují testovací obvody pro případné budoucí aplikace. Ty by se ale již musely vyvíjet v mikroelektronických firmách, mezi kterými je např. Hitachi naším dlouhodobým partnerem jak ve výzkumu, tak i ve společné ochraně intelektuálního vlastnictví.

 

Budete zjištěné informace dále rozvíjet?

Výše už jsem naznačil pokračování našeho výzkumu se zaměřením na antiferomagnety v rámci projektu GAČR-EXPRO 2019-2023. Mezinárodní spolupráci v této oblasti pak rozvíjíme za podpory evropského grantu Horizon 2020 Future and Emerging Technologies, který koordinujeme a na kterém se účastní tři ústavy Maxe Plancka z Německa a dále univerzity z Německa a Velké Británie.

 

Na čem zajímavém aktuálně pracujete a co plánujete?

V krátké době nám vyjde článek v Nature Elektronics, kde ukazujeme zápis pomocí nového fyzikálního principu do antiferomagnetické součástky pomocí elektrických pulzů od mikrosekund po nanosekundy a také pomocí ultrakrátkého pulzu generovaného femtosekundovým laserem. Součástka má také zajímavé chování v závislosti na počtu, pořadí a časovém odstupu mezi zapisovacími pulzy, čímž připomíná vlastnosti neuronových sítí spíše než klasických digitálních součástek.

Petr Němec, Vít Novák, Tomáš Jungwirth

Jak jste spokojen se systémem GRIS a s ním spojenou administrativou?

V poslední době jsem nezaznamenal výpadky systému a obecně mi dnes podávání grantové přihlášky a grantových zpráv připadá obdobné, jako ve standardních zahraničních agenturách.

 

Poznámka: Na úvodním obrázku vidíte členy týmu Laboratoře materiálů.