Vedci objavili nový typ magnetizmu. Môže zmeniť spôsob, akým budú fungovať počítače

Elektróny majú vlastnosť, ktorá by v budúcnosti mohla výrazne ovplyvniť fungovanie elektroniky. Okrem elektrického náboja totiž disponujú aj spinom, kvantovou vlastnosťou spojenou s ich magnetickým správaním.

Obsah článku · 3 časti

1. Vedci našli dôkaz priamo v materiáli
2. Tenké vrstvy môžu priniesť ďalšiu výhodu
3. Mohli by altermagnety pomôcť budúcim počítačom?

Práve na spin elektrónov sa zamerali vedci z University of Central Florida. Tím profesora fyziky Madhaba Neupaneho získal experimentálne dôkazy takzvaného altermagnetizmu, teda formy magnetického usporiadania, ktorá sa odlišuje od klasického feromagnetizmu aj antiferomagnetizmu.

Odoberaj Vosveteit.sk cez Telegram a prihlás sa k odberu správ

Výskum priniesol zaujímavý výsledok v materiáli s označením Co₁/₄TaSe₂. Ide o vrstvenú látku s atómami kobaltu, v ktorej vedci zaznamenali vlastnosti zodpovedajúce altermagnetickému stavu.

Čo vlastne altermagnetizmus znamená?

Na pochopenie objavu stačí najskôr porovnať dva známe druhy magnetizmu. Feromagnetické materiály poznáš z bežných magnetov. Ich magnetické momenty sa zoradia rovnakým smerom, vďaka čomu vznikne výrazné magnetické pole. Tento jav má množstvo praktických využití, no prináša aj nevýhodu. Magnetické pole môže ovplyvniť okolité súčiastky.

Pri antiferomagnetoch sa magnetické momenty zoradia opačnými smermi. Ich účinky sa preto vo veľkej miere navzájom vyrušia a materiál nevytvorí výrazné vonkajšie magnetické pole. Antiferomagnety však zároveň nemajú niektoré vlastnosti, vďaka ktorým sa feromagnety používajú v elektronike. A práve medzi týmito dvoma svetmi by mohol nájsť svoje miesto altermagnetizmus.

Súvisí s tým

DNA už nemusí uchovávať len naše gény. Vedci z nej vytvorili elektronickú pamäť pre budúce počítače

Altermagnet môže zachovať výhodu antiferomagnetu v podobe minimálneho rušivého magnetického poľa, no zároveň môže umožniť vznik a detekciu takzvaných spinových prúdov. Nejde pritom o klasický elektrický prúd. Namiesto samotného elektrického náboja prenáša informáciu spin elektrónov.

To je dôležité najmä pre oblasť označovanú ako spintronika.

Vedci našli dôkaz priamo v materiáli

Výskumníci potrebovali zistiť, ako sa elektróny v materiáli správajú. Na tento účel využili metódu známu ako uhlovorozlíšená fotoemisná spektroskopia, skrátene ARPES. Znie to zložito, no princíp možno zjednodušiť. Vedci pomocou tejto metódy získajú informácie o energii a pohybe elektrónov v materiáli. Výsledkom je mapa jeho elektronickej štruktúry. Tím najskôr zaznamenal charakteristické rozštiepenie elektronických pásov. Samotný tento výsledok však ešte nestačil na potvrdenie altermagnetizmu.

Vedci preto využili aj spinovo rozlíšenú verziu ARPES. Tá im umožnila zistiť, aký spin súvisí s jednotlivými elektronickými stavmi.

Výsledok ukázal, že rozštiepené stavy niesli opačnú spinovú polarizáciu. Práve takýto výsledok predstavuje kľúčový dôkaz altermagnetického usporiadania.

„Náš prístup spočíval vo využití metód s vyšším rozlíšením, ktoré neboli citlivé na spin elektrónu, aby sme zmerali rozštiepenie energetických hladín. Následne sme meranie doplnili spinovo rozlíšenou ARPES, aby sme jednoznačne zistili, či ide o altermagnetizmus,“ vysvetlil Madhab Neupane.

Vedci zároveň museli vyriešiť ďalší problém. Fotoemisné merania sú mimoriadne citlivé na povrch materiálu. Ak by bol povrch vzorky znečistený alebo poškodený, výsledky by mohli skresliť. Spolupracujúci výskumníci preto pripravili kvalitné vzorky Co₁/₄TaSe₂ a tím z University of Central Florida následne vybral tie s mimoriadne čistým povrchom.

Tenké vrstvy môžu priniesť ďalšiu výhodu

Na materiáli je zaujímavé aj jeho usporiadanie. Co₁/₄TaSe₂ patrí medzi takzvané dichalkogenidy prechodných kovov, známe pod skratkou TMD. Tieto materiály tvorí viacero veľmi tenkých vrstiev uložených nad sebou. Väzby medzi niektorými vrstvami sú pomerne slabé, takže ich možno oddeliť a vytvoriť extrémne tenké štruktúry. Pre elektroniku ide o zaujímavú vlastnosť. Vedci totiž získajú možnosť upravovať hrúbku materiálu a sledovať, ako sa následne zmenia jeho elektrické a magnetické vlastnosti. V prípade Co₁/₄TaSe₂ navyše zohrávajú významnú úlohu atómy kobaltu vložené medzi jednotlivé vrstvy. Práve tie pomáhajú vytvoriť nezvyčajné magnetické vlastnosti materiálu.

Výskumníci zároveň zistili, že pozorovaný elektronický stav nevznikol iba na povrchu vzorky. Merania poukázali na jeho pôvod v samotnom materiáli a zároveň odhalili charakteristické znaky altermagnetického usporiadania.

„Dôkazy o altermagnetizme vo všestrannej platforme materiálov otvárajú množstvo nových možností,“ uviedol Milo Sprague, hlavný doktorand zapojený do výskumu.

Mohli by altermagnety pomôcť budúcim počítačom?

Práve tu sa výskum dostáva k technológiám, ktoré môžu zaujať aj mimo sveta fyziky. Dnešná elektronika pracuje predovšetkým s elektrickým nábojom. Elektróny však okrem náboja disponujú aj spinom. Vedci preto hľadajú spôsoby, ako spin využiť na prenos a spracovanie informácií, čím vzniká odbor spintroniky.

Altermagnety sú v tomto smere zaujímavé preto, že podľa výskumníkov môžu vytvárať a detegovať spinové prúdy bez výrazného rušivého magnetického poľa. Pri stále menších elektronických súčiastkach by práve obmedzenie takéhoto rušenia mohlo predstavovať dôležitú výhodu. Neupane preto vidí potenciál v oblastiach ako rýchle pamäte, terahertzové komunikačné siete alebo energeticky úspornejšia elektronika.

„Ako sa elektronické zariadenia stále zmenšujú, vedci potrebujú nové materiály, ktoré dokážu pracovať rýchlejšie a zároveň spotrebovať menej energie,“ uviedol.

To však ešte neznamená, že sa altermagnetické čipy čoskoro objavia v bežných počítačoch. Výskum zatiaľ priniesol experimentálny dôkaz vlastností konkrétneho materiálu a otvoril priestor pre ďalšie experimenty. Vedcom zostáva viacero nezodpovedaných otázok. Stále presne nevedia, prečo sa v danom materiáli vytvorí altermagnetické usporiadanie a za akých podmienok dostane prednosť pred inými magnetickými stavmi. Práve Co₁/₄TaSe₂ by však mohol pomôcť tieto otázky zodpovedať. Materiál možno upravovať a následne sledovať, ako sa zmenia jeho magnetické a elektronické vlastnosti.

Výskumníci tak získali ďalšiu platformu na skúmanie altermagnetizmu. A hoci cesta od experimentálneho materiálu k fungujúcej elektronickej súčiastke môže byť ešte dlhá, nový výsledok poskytol fyzikom konkrétny materiál, na ktorom môžu tieto nezvyčajné vlastnosti ďalej skúmať.