Laureát České hlavy: Nevím, jestli budou počítače tisíckrát rychlejší, ale fyzikální bariéry jsme odstranili
Světově uznávaný fyzik Tomáš Jungwirth z Fyzikálního ústavu Akademie věd získal letošní Národní cenu vlády Česká hlava. Stal se tak druhým nejmladším laureátem nejvyššího českého ocenění pro vědce a to za mimořádný přínos v oboru spintronika. Právě jeho tým jako první na světě popsal zákonitosti nové třídy magnetických látek. Altermagnety sice nedrží na ledničce, ale dají se na ně ukládat data. A to tisíckrát rychleji než na počítačové paměti.
Povedlo se vám vybudovat jedno z hlavních světových center spintroniky, což je poměrně mladý obor elektroniky, který zjednodušeně řečeno využívá elektrony k ukládání dat. Co pro vás znamená ocenění Česká hlava?
Moc děkuji kolegům, kteří mě nominovali a vybrali z navržených kandidátů, že ukázali zrovna na mě. Velmi si vážím jejich času a práce, kterou tomu věnovali. Mám respekt i tomu, že taková cenu vůbec existuje.
Imunolog Hořejší: Česká hlava je výjimečná. Věřím, že vakcína proti koronaviru přinese jasné řešení
Číst článek
Ale na druhou stranu, i když je to samozřejmě příjemné, asi to nehraje klíčovou roli. Pro mě je důležité, že pořád mám kolem sebe kolegy, které jsem potkal před těmi 20-25 lety a pořád spolupracujeme a publikujeme společné články. To je to, čeho si vážím nejvíc.
Česká hlava je především ocenění toho, co děláte a kam jste zatím dovedl svůj výzkum. A myslím, že to člověka nabíjí pro další práci.
To samozřejmě, ale když se nám něco povede, tak ocenění máme vlastně neustále. To, že nás zvou na konference, že máme možnost prezentovat výsledky na plenárních přednáškách těch největších světových fyzikálních společností.
Je skvělé, že s námi, zdá se, rádi spolupracují kolegové v podstatě z celého světa. A když máte pocit, že ta nejlepší pracoviště na světě vás berou jako rovného s rovným, tak to je asi to největší ocenění.
Ve škole jsem se učili, že materiály jsou buď magnetické (feromagnety) nebo nemagnetické (antiferomagnety). Už dříve se vědělo, že u některých z nich ale existuje vnitřní magnetismus. Vy jste si před pár lety řekli, pojďme to z nich dostat a postupně jste odhalili, že tam existují přesné fyzikální zákonitosti. Ukázalo se, že takových látek je minimálně dvě stě a tím jsme definovali třetí skupinu magnetických látek, co sice nedrží na lednici, ale dají se na ně ukládat data. A nazvali ji altermagnety.
Přesně tak. Ale nejdříve se nám a i jiným spintronickým skupinám po světě podařilo na experimentální úrovni prokázat, že spin elektronu je možné využívat k ukládání dat, že to skutečně jde. Dá se s nimi pracovat jako s klasickými magnety a zároveň mohou posouvat limity v energetické efektivitě jejich využívání, ve zmenšování součástek i rychlosti jejich ovládání.
To se podařilo ukázat na experimentální úrovni, ale my jsme začali právě přemýšlet nad tím, jestli bychom si mohli podržet všechny ty výhody antiferomagnetů, které nemají vnější magnetické pole, ale zároveň, jestli bychom nenašli takové nové magnetické látky, které by umožňovaly stejný způsob ovládání jako u konvenčních magnetů, tedy že se na ně dají ukládat informace. A to se právě protnulo v altermagnetech.
3:36
Čeští vědci objevili nový typ magnetismu. Je to průlom, který může ovlivnit elektroniku budoucnosti
Číst článek
Jak byste laikům vysvětlil význam toho, k čemu jste dospěli?
Asi nejlépe z toho aplikačního pohledu. Spintronika je dneska obor, který začíná hrát významnou roli jako doplněk ke klasickým polovodičovým technologiím. Spintronické součástky na bázi konvenčních magnetů začínají pronikat do úplného srdce počítače, to znamená na procesorové čipy.
Jsou už některé části toho čipu, kde polovodičovým součástkám už dochází dech, jsou na svém limitu. A ukázalo se, že ty spintronické součástky jsou schopné je nahradit. Je to vlastně velký průlom, úplně nová věc, protože to zatím vůbec nebylo.
Všechny základní integrované obory, procesory jsou kompletně postavené na polovodičích. Takže je to vlastně poprvé, kdy se objevuje nějaká jiná technologie a shodou okolností je to spintronika, což je ten obor, kterým se zabýváme čtvrtletí. Takže to je pro nás strašně příjemné a dává nám to samozřejmě pocit trošku větší důležitosti a opodstatněnosti naší práce.
Zdá se, že nejvýhodnější jsou právě altermagnety, protože i antiferomagnety mají fyzikální limity. Já nevím samozřejmě, jestli altermagnety budou řešení, ale fyzikální bariéry jsme odstranili.
O kolik by čipy pro mobily a počítače mohly být výkonnější?
Tak tisíckrát, ale to je ještě samozřejmě strašně daleko od toho, jestli se to bude dát použít v praxi, nebo ne, ale nějaké základní fyzikální bariéry se tady prolomily.
Teď čipy fungují na gigahertzových frekvencích a altermagnety by mohly pracovat v terahertzích. Myslím si, že je to asi ten nejdůležitější praktický obor, kde by tyhle látky mohly mít význam. Informační technologie zasahují do řady oblastí našeho života.
Vzrostl počet citací
Když jsem se dívala na citovanost vašich článků, tak skokově narostla. Svou práci o altermagnetech jste publikovali v únoru v prestižním vědeckém časopise Nature a už teď máte přes 5200 citací, což je nárůst skoro o polovinu oproti předchozím letům. Je to pro vědce potvrzení, že to, co zjistil, je opravdu velký objev?
Asi jo. Asi se s těmi čísly nedá nic dělat. Ta čísla asi o něčem vypovídají, že se nám tentokrát podařilo něco ještě možná o řád atraktivnějšího pro relativně širokou komunitu než třeba v minulosti.
Zdá se, že tyhle nové typy magnetických materiálů jdou ještě víc do hloubky základní kvantové fyziky pevných látek a jsou relevantní v mnoha dalších oborech. Ty články, které se na naše původní práce odkazují, jsou z mnoha různých oborů fyziky, ve kterých my jsme nikdy aktivní nebyli.
Ale právě tím, že jste definovali skupinu altermagnetů s nějakými jejich vlastnostmi, tak se dalším vědcům líp pracuje, ne? Mohou to brát jako fakt, se kterým mohou dělat výzkumy v jejich odboru.
Část těch článků je taky o tom, že je to úplný nesmysl… To tak bývá, když se objeví nějaká novinka, ale je tam mnoho prací, které využívají toho, že jsme to definovali a zavedli nějaký pojem.
Hlavně je důležité, že jsme oblast těchto materiálů definovali opravdu rigorózně a exkluzivně, takže pro lidi, kteří si dají tu práci s pochopením té definice, tak je to jasné. Zároveň jsme ukázali několik vlastností, které jsou unikátní pro tuhletu třídu a můžou být zajímavé i pro mnoho dalších oborů fyziky pevných látek.
Kromě původních prací jsme před dvěma roky napsali i něco, čemu se říká Perspective, to znamená článek, který trošičku ukazuje, jakým směrem by se ten obor mohl případně rozvinout. Naznačovali jsme, kde by mohl být výzkumný potenciál a mnoho z těchto směrů jsme pak objevili v dalších článcích už jako opravdu propracované výsledky skupin z celého světa.
O vašem výzkumu jsme natáčeli průběžně a v jednom momentu jste mi říkal: „No, my jsme tomu vlastně sami nevěřili. Naše znalost magnetismu prostě byla nějaká a teď jsme tady viděli něco jiného.“ Museli jste o tom, že to tak je, přesvědčovat víc sami sebe nebo ostatní vědce?
Když jsme si to pak ověřovali, tak už jsme nepochybovali. Ale měli jsme několik prací ještě před tím, než jsme skupinu altermagnetů definovali na základě symetrie. Na začátku jsme pozorovali jevy, které bychom normálně u těchto látek neočekávali.
A tak jsme se samozřejmě zabývali otázkou, proč se to dřív neočekávalo nebo proč je to vlastně překvapivé, že se ty jevy se v těch látkách teď objevují. A ještě důležitější otázka byla, jestli je to týká jen nějakého konkrétního krystalu, anebo je to obecná věc. A jestli je to malá nebo velká třída materiálů. A to bylo klíčové, což potvrzuje i ten skokový nárůst citací.
22:45
O milimetr delší noha každý den. V Brně provedli unikátní operaci, nohu pacientovi narovnává magnet
Číst článek
Tím, že jsme to klasifikovali na té úplně nejzákladnější úrovni symetrií, tak jsme ukázali ten prazáklad, ze kterého může vycházet spousta dalších jevů. A pak jsme podívali do databází všech známých materiálu a najednou zjistili, že těchto materiálů je víc než těch konvenčních magnetů. Takže to není nějaká malá podskupinka, ale že ta skupina je extrémně velká.
Vlastně jste najednou zjistili, že to není náhoda nebo výjimka, ale že jde o celou skupinu látek.
A hledali možnosti, jak to experimentálně ověřit a to byla například ta práce, která vyšla letos na jaře. Teď máme ještě nějaké práce, které jsou podobně základní a vyjdou ve velmi brzké době.
Ale je pravda, že dodneška existuje část komunity, která tomu buď nerozumí nebo tomu nechce rozumět a bude pořád trvat na těch původních představách o tom, jakým způsobem se klasifikují nebo dělí magnetické látky. Takže v tomhle ještě máme před sebou trošku práce, trochu osvěty ještě budeme muset dělat.
V tom vám ale mohou pomoci ostatní vědci, kteří pracují s tou vaší myšlenkou, dělají výzkumy, publikují je a díky tomu posouvají ten vás objev dál.
Přesně takhle to samozřejmě je. Protože i ve vědě může fungovat propaganda, aby člověk prosadil svůj pohled na věc, ale nakonec rozhodující bude, jestli to přijme zbytek vědecké komunity.
Klíčové bude, jestli z toho opravdu potom vzejde nová fyzika, jestli se ukáže, že je tam mnoho nových jevů, které jsme předtím neznali. Ať už těch, který nějakým způsobem teď předpokládáme, že by tam mohly být, ale ještě třeba nebyly ověřené, anebo nějakých, který zatím si neumíme vůbec představit.
A protože jsme fyzika pevných látek, tak určitě podstatnou roli v nějakém dlouhodobém měřítku hrát bude, jestli tyhle materiály můžou taky najít nějaké praktické využití. Prostě ten náš svět fyziky pevných látek je s tím světem praktických aplikací docela těsně propojený.
