Rozstřel
Sledovat další díly na iDNES.tvPůvodní zařízení, které tým Tomáše Jungwirtha vyvinul nemělo sice žádné na pohled zajímavé parametry. Vešlo se na něj pár bitů a rychlost zápisu byla v tisícinách sekundy, tedy z pohledu dnešní elektroniky nesnesitelně pomalá. To vše se ale dá u prvního demonstračního zařízení očekávat.
Důležité bylo, že teoreticky může být výkon takových zařízení podstatně lepší než u dnešních pamětí. Muvíme především o rychlosti zápisu, který by mohl být zhruba tisíckrát (tj. o tři řády) větší než u současných nejrychlejších feromagnetických či polovodičových pamětí. „To už je experimentálně ověřené,“ shrnul složitý vědecký proces Tomáš Jungwirth v Rozstřelu.
Nový typ paměti se zdá být nejen rychlý, ale také nenáročný na spotřebu, robustní a trvanlivý. „Použití může být široké. Například do malých senzorů a počítačů pro internet věcí,“ říká Tomáš Jungwirth. Celý rozhovor si můžete pustit v úvodu článku.
„Jsou zajímavé, ale nemají žádné využití,“ pletl se fyzik
Ve 30. letech minulého století francouzský fyzik Louis Néel dlouhodobě pracoval na myšlence vysvětlení fungování magnetů na zcela základní úrovni. Zaměřil se přitom i na zkoumání materiálů, které jsou sice složené z magnetických atomů, ale přitom žádné magnetické vlastnosti nevykazují. Přišel se zajímavým vysvětlením: materiál je vlastně složený z mnoha malých magnetů s přesně opačnou orientací. Jinak řečeno, mezi atomy v materiálu se tak pravidelně střídá směr magnetizace, že se navzájem dokonale vyruší.
Tomáš JungwirthNarodil se v roce 1967. Vystudoval fyziku na MFF Univerzity Karlovy v Praze. Na doktorátu pracoval ve Fyzikálním ústavu AV ČR a na Indianské univerzitě v USA, kde pokračoval jako postdok, následně působil i na Texaské univerzitě. Dnes je vedoucím oddělení spintroniky a nanoelektroniky Fyzikálního ústavu AV ČR, zároveň od roku 2004 působí jako profesor na Nottinghamské univerzitě. V roce 2002 získal Prémii Otto Wichterleho a v roce 2008 Akademickou prémii. Od roku 2009 je členem Učené společnosti ČR . V roce 2011 získal na svůj výzkum v oblasti spintroniky prestižní ERC grant. Je členem vládní Rady pro výzkum, vývoj a inovace a Vědecké rady ERC. |
Údajně americký kolega Francis Bitter Néelovi navrhl pro tuto třídu materiálů název antiferomagnet, tedy opak feromagnetů. Pro nás všechny, kdo zapomněli: feromagnety jako ocel, železo či kobalt jsou látky, které se snadno nechají zmagnetizovat (odborněji řečeno se jejich tzv. magnetické domény působením magnetického pole snadno zorientují stejným směrem). Antiferomagnety se naopak vnějším magnetickým polem nenechají ovlivňovat.
Když si Louis Néel v roce 1970 jel do Stockholmu pro Nobelovu cenu, ve své přednášce řekl o antiferomagnetech: „Jsou extrémně zajímavé z teoretického hlediska, ale zdá se, že nemají žádné využití.“ Jeho odhad byl dlouhou dobu správný, ale dnes už mají fyzikové jiný názor.
Antiferomagnety přestaly být exotickou kuriozitou a změnily se v potenciálně velmi praktickou věc. Přitažlivé jsou nejen svými fyzikálním vlastnostmi, ale také přísliby možného přínosu pro další rozvoj elektroniky. Mohly by se například stát klíčovým komponentem při výrobě trvanlivých a extrémně rychlých pamětí, a možná i základem dalších ještě důležitějších součástek.
Klíčovou roli přitom hráli čeští fyzikové, na předním místě tým z Fyzikálního ústavu Akademie věd, konkrétně Oddělení spintroniky a nanoelektroniky vedené Tomášem Jungwirthem. Právě ten byl hostem pořadu Rozstřel ve čtvrtek 17. května.
Jak to dělají?
Tomáš Jungwirth v roce 2016 ve špičkovém časopise Science představil jako první na světě experimentální ukázku antiferomagnetické paměti (článek v Science je přístupný pouze předplatitelům, ale téměř finální podobu článku můžete najít na preprintovém serveru arXiv). Tvoří ji tenký film krystalické sloučeniny mědi, manganu a arzenu „pěstované“ ve vakuu. Jde o materiál poměrně drahý, ale přitom už v určitém rozsahu používaný - a pro jehož výrobu tedy existují průmyslové postupy, což by samozřejmě možné zavádění do praxe výrazně zjednodušilo.
Zajímavé na této antiferomagnetické sloučenině je především to, že pokud se ocitne pod dostatečně silným proudem, změní ho to - a právě díky tomu je možné ji využít při tvorbě pamětí. To, co se průchodu proudem v materiálu děje, je poměrně složitý děj, ve kterém hraje velkou roli relativistická kvantová mechanika, ale z praktického hlediska nejde o nic nového: zápisu elektrickým proudem se používá i v dnes běžných (tj. feromagnetických) pamětech. U antiferomagnetů šlo ovšem o světovou premiéru, a to velmi slibnou.
Zkonstruované demonstrační zařízení mělo své již výše popsané mouchy. Důležité však bylo, že teoreticky mohl být jeho výkon a dalších podobných zařízení podstatně lepší než u dnešních pamětí.
Týká se to především rychlosti zápisu, který by mohl být zhruba tisíckrát (tj. o tři řády) větší než u nejrychlejších feromagnetických či polovodičových pamětí - tedy v řádech terahertzů. Jungwirth a spol. se už na začátku roku 2017 pochlubili, že u prototypové součástky v rychlosti dohnali nejlepší komerčně dostupné paměti. A letos se jim skutečně podařil zápis pomocí tisíckrát kratších elektrických záblesků o délce jen jedné pikosekundy (jedna biliontina sekundy).
A co ten spin...Práce Tomáš Jungwirtha a jeho kolegů je součástí oboru, který se nazývá spintronika. Zabývá se zkoumáním a také „manipulací“ jedné kvantové vlastnosti elementárních částic, tzv. spinu. Spin nemá žádný ekvivalent v makrosvětě, ale obecně se říká, že si ho můžeme například u elektronu představit jako směr rotace částice, kdyby jako káča rotovala po zemi. Tato analogie je velmi nepřesná a v mnoha ohledech selhává, ale co naděláme: skutečný smysl dává spin pouze matematicky a svými fyzikálními projevy, ale jednoduše představitelný prostě není. Pro účely našeho článku si můžeme představit spiny jako střelky miniaturních kompasů částic nějakého materiálu, například paměti. Když spiny všech atomů všechny směřují stejným směrem jako u zmagnetizovaných feromagnetických materiálů, jejich síla se sečte a materiál bude navenek magnetický. V antiferomagnetech bude přesně polovina „střelek“ mířit jedním směrem, druhá opačným. A ve výsledku se tak vyruší a antiferomagnet zvenčí vůbec jako magnet nevypadá. Klasická elektronika využívá k manipulaci částic (elektronů) pouze jejich náboj. Spintronika repertoár rozšiřuje o spin, tedy zjednodušeně jeho „magnetické vlastnosti“. V praxi se v širokém měřítku používá zhruba od 90. let 20. století. První praktickou aplikací byly čtecí hlavy pevných disků. V roce 1990 se začaly používat hlavy využívající anizotropní magnetorezistenci (AMR), v roce 1997 vstoupila do praxe zařízení založení na tzv. gigantické magnetorezistenci (GMR) - za tu získali Albert Fert a Peter Grünberg v roce 2007 Nobelovu cenu. Od roku 2004 se pak v praxi využívá i tzv. tunelovací magnetorezistence (TMR). Existuje už i komerčně dostupná spintronická paměť (MRAM), kterou vysoká cena dlouho omezovala jen na určité specializované aplikace - v brzké době by se to ovšem mohlo změnit, protože hned několik společnosti ohlásilo brzký náběh jejich masové výroby. „To je jeden z hlavních možných přínosů spintroniky, ať to je založené na feromagnetech, či antiferomagnetech - nabízí možnost vytvoření univerzální paměti, která bude fungovat zároveň jak pracovní, tedy RAM, tak jako trvalá paměť typu SSD nebo pevného disku,“ řekl Tomáš Jungwirth v Rozstřelu. Obor tak zřejmě čeká ještě velmi bouřlivý rozvoj. |
Kromě toho by paměť z antiferomagnetických materiálů mohla mít i další výhody. Teoreticky můžete na stejnou plochu vepsat více dat. V běžných feromagnetických materiálech bohužel platí, že magnetický zápis jednoho bitu bude ovlivňovat jiná data zapsána v jejím okolí. Každý bit, tedy každé místo zápisu, je totiž jeden magnet, který samozřejmě působí na okolí. Snadno by se tak mohlo stát, že jeden bit „přepóluje“ bity jiné.
To u antiferomagnetické paměti neplatí. Elektrický impulz v zařízení „otočí“ všechny magnety na jednotlivých atomech v dané oblasti současně, tak jejich celkové rozložení se nezmění. Nevznike malý magnet, dál budo mířit polovina jedním směrem, polovina druhým. Daná oblast se prostě na povel otočí do jiné pozice - a v ní pak zůstane. Právě v tomto „otočení“ je zapsána informace. Proto pro zápis jediného bitu bude složený z pestré směsi „minimagnetů“, které se dohromady vyruší a nevytváří žádné silné magnetické pole, které by mohlo ovlivnit údaje zapsané jinde. Oblasti pro zápis jednotlivých bitů mohou být prakticky těsně vedle sebe.
„Samotný zápis je opravdu jednoduchý, v podstatě opravdu stačí připojit ke krystalu s vhodnými vlastnostmi, s vhodnou symetrií krystalové mřížky dva drátky,“ řekl s velmi malou mírou nadsázky Tomáš Jungwirth v Rozstřelu. Ovšem fyzikální vysvětlení samotného jevu (a tedy i popis toho, jak musí vypadat struktury antiferomagnetického krystalu, aby měl vhodné vlastnosti) zdaleka tak triviální nebylo, a nebylo k dispozici až zhruba do roku 2015 - proto antiferomagnety tak dlouho zůstaly nevyužity.
Pozorný čtenář jistě z předchozího popisu odhadli i zajímavý důsledek: protože „otočení“ je trvalé, k udržení dat není zapotřebí elektřiny. Antiferomagnetická paměť je trvalá jako u třeba „flešky“, ne dočasná jako například RAM dnešních počítačů.
Přirozené vlastnosti antiferomagnetů dávají paměti ještě jednu výhodu: pamět je prakticky necitlivá k vnějšímu magnetickému poli. Antiferomagnety se zmagnetizovat jen tak nenechají, a tak by u podobné paměti nehrozilo, že by vám ji mohla smazat magnetická rezonance nebo „vtipálek“ s magnetem.
Antiferomagnetické paměti by mohly být vůči magnetickému poli prakticky netečné, jak ostatně ilustruje pokus fyziků z Fyzikálního ústavu, kteří paměť vystavili poli o absurdně velké síle 12 Tesla (to vyžaduje supravodivý magnet), aniž by došlo ke ztrátě dat.
xx Nový typ paměti se tedy zdá být nejen rychlý, ale také nenáročný na spotřebu, robustní a trvanlivý - a tedy ideální například do malých senzorů a počítačů pro internet věcí či „chytrá města“. Dodejme ještě, že na rozdíl od polovodičových pamětí jsou odolné vůči ionizujícímu záření, tedy například alfa, beta, gama, či rentgenové záření.
Tomáš Jungwirth (vpravo) v experimentální laboratoři, která umí generovat ultra-krátké záblesky a testovat ultra-rychlý zápis, například právě na antiferomagnetickou paměť. Jedná se o společnou laboratoř Fyzikálního ústavu AV s Matematicko-fyzikální fakultou UK- Na snímku jsou ještě zleva Petr Němec (MFF UK) a Vít Novák (FZÚ).
Vývoj součástek pro internet věcí je také jedním ze směrů, kterými se chce tým z Fyzikálního ústavu vydat - a domnívá se, že jen paměti pro takové použití nestačí. „Naše první zkušenosti i s nasazováním funkčních produktů nám ukazují, že v takových případech nebude nutné data ze všech senzorů posílat nezpracované někam do centra, ale je nutné je nějak předzpracovat, a budou tedy paměti doplnit o jednoduché čipy,“ říká Jungwirth.
A půjde to i jinak
„Jsou dnes nejrychlejším komponentem v počítačích, a takto se do praxe nedá nasadit,“ řekl Tomáš Jungwirth a dodává: „Ale je to příprava do budoucnosti, na příští desetiletí dopředu.“ Ovšem Jungwirth doufá, že by cesta do praxe mohla být nakonec podstatně jednodušší: „Polovodičová technologie je dnes na hranici svých možností, a otevírá se prostor pro poměrně rychlé nasazení i jiných technologií.“ A právě jednou z nich mohou být napříkald i antiferomagnetické magnety.
Mají i jednu velkou, zatím nezmíněnou a v praxi dnes poměrně těžko využitelnou výhodu: antiferomagnetické paměti umí více než nuly a jedničky, v tom se liší od dnešních komerčních feromagnetických i jiných pamětí. V principu nic nebrání tomu, aby „abeceda“ pro zápis byla mnohem bohatší.
Autoři říkají, že je možné do ní posílat například hned několik různě dlouhých elektrických „zapisovacích pulzů“, které danou oblast pro zápis nastaví pokaždé jinak. Zařízení si bude pamatovat, jak dlouhé pulzy byly, nebo kolik jich bylo, a tak v jediném fyzickém místě na paměti bude vlastně zašifrováno více informací než jen nula či jednička. Antiferomagnetické paměti by tak mohly šetřit místo i tímto způsobem a vhodně spolupracovat s celou řadou dalších slibných technologi, například neuronových sítí.
Tomáš Jungwirth s kolegy nejsou samozřejmě ani zdaleka jediní, kdo na podobných problémech pracuje. Jejich výzkum je výsledkem celosvětové snahy o překonání hranic tradiční elektroniky, která v některých ohledech začíná narážet na fyzikální hranice bránící dalšímu růstu. Díky dlouhodobě výjimečné práci a do jisté míry nepochybně i štěstí se ovšem tým z Fyzikálního ústavu ocitl v situaci, kdy by jeho práce mohla spoluurčovat směr výzkumu a vývoje v elektronice v příštích letech či desetiletích.
Celý rozhovor si můžete pustit zde:
