Vědci z Univerzity v Mohuči a Akademie věd ČR v Praze svým novým objevem porušili dosud známé členění magnetismu. Stále existují pouze dva magnetické póly – severní a jižní – ale tři různé typy magnetů.
Vědci původně předpokládali, že existují dvě formy magnetismu: feromagnetická, která je známá již několik tisíciletí, a antiferomagnetická, která byla objevena zhruba před sto lety.
Fyzikům pod vedením doktora Libora Šmejkala z Univerzity Johannese Gutenberga v Mohuči (JGU) se nedávno podařilo poskytnout přímý experimentální důkaz třetího typu. Poté, co před několika lety teoreticky předpověděli tzv. alter magnetismus, se jim nyní podařilo jeho existenci potvrdit.
Limity pro informační technologie
Když se řekne magnet, obvykle si představíme feromagnety se silným magnetickým polem – ty malé pomocníky, kteří doma udržují nákupní seznam na lednici nebo umožňují fungování elektromotoru.
Magnetické pole feromagnetu vzniká díky tomu, že miliony jeho atomů jsou uspořádány ve stejném směru. To znamená, že magnetické pole lze využít i k modulaci elektrického proudu v komponentách informačních technologií.
Zároveň však feromagnetické pole představuje vážné omezení pro prostorovou a časovou škálovatelnost komponent. V posledních letech se proto výzkum zaměřil na druhou, antiferomagnetickou větev.
Antiferomagnety jsou méně známé, ale v přírodě mnohem častější materiály. V nich se směry atomových magnetických polí na sousedních atomech střídají, podobně jako se střídají bílá a černá pole na šachovnici. V důsledku toho nevytvářejí žádná (nežádoucí) magnetická pole, a jsou tedy antimagnetické. Z tohoto důvodu antiferomagnety zatím nenašly žádné aktivní uplatnění v informačních technologiích.
Altermagnety spojují „neslučitelné“ výhody
Altermagnety předpovězené teprve před několika lety kombinují výhody feromagnetů a antiferomagnetů, které byly považovány za zásadně neslučitelné. Mají také další jedinečné výhody, které se v ostatních odvětvích nevyskytují.
Altermagnety si můžete představit jako magnetické uspořádání, v němž se střídají nejen magnetické momenty sousedních atomů, ale také orientace atomů v krystalu.
Altermagnety tak nevytvářejí vnější magnetické pole, ale elektrony uvnitř cítí magnetické pole, které je tisíckrát silnější než pole magnetu na lednici. Tato pole mohou modulovat elektrické proudy podobným způsobem jako feromagnety, a jsou proto potenciálně velmi atraktivní pro aplikace v nanoelektronice.
Vědci navíc již identifikovali více než 200 kandidátů na novou formu magnetismu. Ty mají vlastnosti izolátorů, polovodičů, kovů a dokonce i supravodičů.
Důkazy tu byly celou dobu
Fyzikové zkoumají tyto materiály již delší dobu, ale jejich alter-magnetická povaha jim vždy unikala. V roce 2019 se pak objevil první paprsek naděje: vědcům pod vedením doktora Libora Šmejkala se v sérii studií podařilo netradičně magnetické materiály teoreticky identifikovat a o dva roky později je stanovit jako nový třetí typ magnetismu.
Vzhledem k tomu, že alter magnetismus otevírá dalekosáhlé a dosud nevídané možnosti výzkumu a využití, následovala téměř okamžitě po teoretické předpovědi vlna navazujících studií vědců z celého světa. Nakonec zbývalo jen poskytnout přímý experimentální důkaz. Dosud.
To se podařilo prokázat německým a českým fyzikům, kteří analyzovali krystaly teluridu manganu (MnTe). Až dosud byl tento materiál – stejně jako samotný mangan – považován za klasický antiferomagnet. Protože magnetické momenty sousedních atomů manganu směřují opačným směrem, nevytvářejí kolem materiálu vnější magnetické pole.
Na základě předpovědí se však nyní vědcům podařilo zjistit, jakým směrem „svítí“ na kvalitní krystaly MnTe. Jejich závěr: navzdory absenci vnějšího magnetického pole jsou elektronické stavy uvnitř materiálu silně spinově rozštěpené. Rozsah a tvar tohoto štěpení jsou v dokonalém souladu s kvantově mechanickými předpověďmi alterového magnetismu.
Vědcům se také poprvé podařilo prokázat spinovou polarizaci. „Je to přímý důkaz toho, že MnTe není ani konvenční antiferomagnet, ani konvenční feromagnet, ale patří do nové, věkově magnetické větve magnetických materiálů,“ řekl Libor Šmejkal.
Nový magnetismus dláždí nové cesty
„Po počátečních předpovědích a vzhledem k rychle rostoucímu celosvětovému zájmu o alter magnetismus jsme rádi, že jsme mohli přispět k experimentálnímu důkazu v MnTe,“ pokračuje Šmejkal.
Jairo Sinova, spoluautor studie, dodává: „Objev alter magnetismu otevřel nové cesty v celosvětovém výzkumu nových fyzikálních a materiálových principů pro vysoce škálovatelné a energeticky účinné IT komponenty.“
Je také pozoruhodné, že se tato oblast dostává stále více do popředí zájmu. Nedávno byly publikovány další studie, které potvrzují různé další vlastnosti alter-magnetických materiálů. Zdá se tedy, že objev alter-magnetismu je jen začátkem nové vzrušující éry magnetismu.
Studie byla zveřejněna 14. února 2024 v časopise „Nature“.
Článek původně vyšel na stránkách německé redakce Epoch Times.
