Dříve téměř neznámé pojmy altermagnetismus a magnonika se v loňském roce opakovaně dostaly na titulní stránky novin. Miina Leiviskä, postdoktorandka programu MSCA COFUND Physics for Future ve Fyzikálním ústavu AV ČR, ve svém výzkumu propojuje tato témata hýbající světem fyziky. Mohou být klíčem k výpočetní technice budoucnosti, nebo to není tak jednoduché?
Rozhovor původně vyšel na portálu VědaVýzkum.cz.
Váš výzkumný projekt propojuje altermagnety a spintroniku, respektive magnoniku – samé nové a vzrušující oblasti fyziky. Můžete nám ho představit blíže?
Spintronika, kam můj projekt spadá, zkoumá využití spinu elektronů místo jejich náboje ke zpracování, ukládání a přenosu informací. Třeba v paměťových aplikacích to s sebou nese možnost energetických úspor a nevolatility dat – to znamená, že data v reálném čase by se neztratila ani při výpadku napájení, řekněme při náhodném odpojení počítače ze zásuvky nebo při výpadku proudu.
Mohlo by to být užitečné v extrémních podmínkách, například při vesmírných misích při „hibernaci“ sondy nebo v nepříznivých podmínkách?
To asi ano. Další užitečnou vlastností antiferomagnetických a altermagnetických materiálů, které zkoumám, je to, že jsou velmi odolné vůči vnějším poruchám magnetického pole, protože nemají vlastní magnetický moment. Tím se liší od feromagnetických materiálů, které se běžně využívají ve spintronice.
Zajištění větší stability spinových proudů
Takže ve svém výzkumu se snažíte najít stabilnější alternativy?
Ano. Už během doktorátu jsem se zabývala antiferomagnetickými a altermagnetickými materiály a teď to platí tím spíš. Jejich spiny jsou uspořádány v opačných směrech, což ruší celkový magnetický moment. Díky tomu jsou stabilnější vůči změnám okolního magnetického pole. Nejnověji se zabývám právě altermagnety, které předpověděl mezinárodní tým, kam patří i Tomáš Jungwirth z FZU. Tyto materiály kombinují některé vlastnosti feromagnetů i antiferomagnetů, díky čemuž jsou odolné vůči vnějším magnetickým polím a zároveň si zachovávají užitečné funkce, které antiferomagnety nemají. V podstatě zkoumám funkční vlastnosti materiálů, u nichž bylo teoreticky předpovězeno, že budou altermagnetické, a zjišťuji, jak u nich lze třeba manipulovat s orientací spinů a ukládat informace.
Nemáte povoleny cookies, které jsou nutné pro přehrání tohoto obsahu, který je hostován třetí stranou. Zobrazením externího obsahu přijímáte smluvní podmínky provozovatele služby YouTube.
Potřebujete ke svému výzkumu vysoce specializované laboratorní vybavení?
Proces výroby nanomateriálů, kterými se zabývám, je srovnatelný s běžnou výrobou tranzistorů litografickými technikami. Pro měření jejich vlastností potřebuji především regulaci teploty, například pomocí kryostatu, vnější pole pro manipulaci s orientací spinu a nakonec zařízení pro měření elektrických transportních vlastností, třeba odporu.
Jakmile je informace jednou uložená, zůstává stabilní i při pokojové teplotě?
To se odvíjí od použitého materiálu. Magnetické materiály mají kritickou teplotu, pod kterou je jejich spinové uspořádání stabilní. Například ten, který jsem studovala během doktorátu, se uspořádává při teplotě 110 Kelvinů – asi -160 °C, což je skoro taková zima jako na Saturnově měsíci Titanu – a materiál, který zkoumám právě teď, se uspořádává při teplotě pouhých 7 Kelvinů! Existují ovšem materiály, které se uspořádávají při pokojové teplotě, takže se dá uvažovat o jejich praktických aplikacích.
Zdá se mi, že kvantové výpočty při pokojové teplotě jsou považovány za takový „svatý grál“ fyziky. Mohla by spintronika přispět k jeho dosažení?
Nemám až takový přehled v kvantových výpočetních aplikacích spintroniky, ale vzhledem k tomu, že kvantové efekty jsou snadno narušeny tepelným šumem, je přinejmenším náročné dosáhnout jejich fungování při pokojové teplotě.
Obor se rychle rozšiřuje
Máte dva mentory: Tomáše Jungwirtha, jednoho z klíčových objevitelů altermagnetů, a Helenu Reichlovou, jejíž výzkum se mimo jiné zaměřuje na využití odpadního tepla z výpočetní techniky. Mohly by vaše materiály přispět i k dosažení tohoto cíle?
Určitě mohly! Ve spintronice se snažíme přesouvat spiny a jedním ze způsobů, jak toho dosáhnout, je využití teplotních gradientů – v podstatě přeměna odpadního tepla na užitečné spinové proudy, podobně jako je tomu u konvenčnějšího přístupu, kdy se k jejich toku využívá elektrické pole. To je důležitý aspekt mé současné práce s izolačními materiály, kde přenos spinů závisí výhradně na magnonech, kvantovaných spinových vlnách, a nikoli na náboji elektronů.
Musím přiznat, že jako bioložka se v tom trochu ztrácím. Existuje způsob, jak tyto procesy snáz vysvětlit laikovi?
Představte si difúzi – pokud zahříváte určitou oblast, částice mají tendenci se šířit směrem k chladnějším oblastem. Totéž platí pro elektrony: když se jedna oblast zahřeje, difundují a nesou s sebou své spiny. Vzniká tak spinový proud, což znamená, že můžeme přenášet informaci pomocí teplotních rozdílů namísto elektrických proudů.
Spintronika a magnonika jsou relativně nové obory. Kolik výzkumných skupin na světě se jim věnuje?
Těžko říct přesně, ale jejich počet roste. V současné době se konají specializované konference a workshopy věnované spintronice a magnonice a vycházejí plány nastiňující klíčové směry výzkumu. To ukazuje, že se obor rychle rozšiřuje.
Jaký je podle vás nejslibnější budoucí směr tohoto výzkumu?
Myslím si, že slibné jsou hybridní přístupy, které kombinují konvenční technologie se spintronikou nebo magnonikou. Každá metoda má určitá omezení, ale jejich kombinací lze překonat některé nedostatky.
Hybridní řešení by mohla být klíčová
Takže by bylo obtížné spoléhat se ve výpočetní technice výhradně na magnoniku?
Alespoň prozatím ano. Zabývám se základním výzkumem a zkoumám vlastnosti materiálů spíše než průmyslové aplikace, ale čistě magnonické postupy se potýkají s fyzikálními omezeními. Hybridní řešení se mi zdají být v nejbližší době schůdnější.
Co vás přivedlo k tomuto výzkumu?
Během magisterského studia mě začal zajímat magnetismus. Diplomovou práci jsem psala na univerzitě v Groningenu, kde jsem se seznámila se spintronikou. Přišla mi fascinující a rozhodla jsem se v oboru zůstat v tom či onom směru i na doktorátu a postdoku. Pomáhá mi stavět na něčem, co už znám.
PHYSICS FOR FUTURE (P4F) stipendijní program podpořený MSCA COFUND, jehož cílem je získat 60 postdoktorandů do Fyzikálního ústavu AV ČR a ELI Beamlines, kteří se budou věnovat tématům fyziky zásadním pro společnost a ekonomiku. První výzva byla velmi úspěšná, druhá výzva se otevře v srpnu 2025.
Co konkrétně vás přivedlo do Prahy k programu Physics for Future?
Helena Reichlová, která tu vede Dioscuri centrum pro spinkaloritroniku a magnoniku, spolupracovala s mým školitelem doktorského studia. Díky tomu jsem se seznámila s jejím týmem. Když jsem dokončovala doktorát, oslovila jsem ji, jestli by se nenašla možnost spolupráce, a ona mě seznámila s programem P4F. Možnost vést vlastní výzkumný projekt a zároveň mít dvojici mentorů – z pohledu teoretického a experimentálního výzkumu – pro mě byla velkým lákadlem. Je to k nezaplacení, když máte experimentální výsledky, s jejichž interpretací potřebujete pomoct.
Je pro vás fellowship užitečné i v jiných ohledech, jako třeba školení v měkkých dovednostech nebo navazování profesních kontaktů?
Určitě. Líbí se mi, že mám svobodu ubírat se ve svém projektu směrem, který považuji za zajímavý, a zároveň mám podporu školitelů. Připadá mi to jako příhodný stupínek mezi doktorským studiem a vedením vlastní výzkumné skupiny. Program podporuje i zapojení do popularizačních a vzdělávacích aktivit, čehož si cením. Jinak je snadné zabřednout do experimentů a neudělat si čas na věci jako vzdělávání nebo vědecké festivaly.
Co je podle vás při oslovování studentů nejdůležitější?
Myslím, že jde o to ukázat jim, co všechno je možné. Jako student ne vždycky poznáte celou škálu kariérních možností ve vědě. Dokonce i dnes tím někdy bývám překvapená! Je to úžasné a podle mě je důležité dát studentům konkrétní příklady, aby si v různých rolích uměli představit sebe samé. A aby „očekávali neočekávané“!
S jakým neočekávaným výsledkem jste se setkala ve svém výzkumu? Povedlo se vám ho nějak objasnit?
Na doktorátu jsem se zaměřovala na silicid manganu. Mysleli jsme si o něm, že je to antiferomagnet. Když jsme ovšem měřili jeho transportní vlastnosti, pozorovali jsme efekt, který se u něj neměl vyskytnout. Spolupracovníci z oblasti teoretické fyziky nám pomohli dojít k závěru, že tento materiál je ve skutečnosti altermagnet. Je to dobrý příklad toho, jak může experimentální výzkum ve spojení s teorií vést k překvapivým objevům.
Jak se vám žije v Praze? Máte tu čas na své koníčky?
Moc se mi tu líbí! Praha je velká, ale zase ne příliš velká, a miluji místní tramvaje. Navíc mě překvapilo, jak je tu rozšířená keramika, což je můj koníček. Je to skvělý způsob relaxace. Po dni plném přemýšlení je pro mě práce rukama příjemnou změnou.
Miina Leiviskä zahájila svou vědeckou dráhu v chemii, od níž se přesunula k nanovědám a magnonice. Geograficky to zahrnovalo přesun z Finska do Nizozemska, Francie a nakonec Česka, kde nedávno získala fellowship v rámci programu Physics for Future ve Fyzikálním ústavu AV ČR v Praze. V současné době se zaměřuje na studium potenciálu altermagnetických magnonů v informačních technologiích budoucnosti.