Současná elektronika se blíží hranici svých možností. Hledají se proto nové fyzikální jevy a materiály, které by i v budoucnu umožnily zvyšovat výkon počítačů. Experimentální spintronické součástky, které nedávno představil světu Tomáš Jungwirth se svými českými a zahraničními kolegy v časopisech Nature Physics, Science a Naure Materials, otvírají nové směry tohoto výzkumu. Na jeho podporu získal Tomáš Jungwirth se svými kolegy nejvýznamnější evropský vědecký grant.
Jak rychle se blížíme předpovídané „hranici možností“? Zatím se elektronika stále ještě zmenšuje a její rychlost roste.
Problém zmenšování součástek je opravdu akutní. Už dnes se jejich velikost počítá jen na desítky nanometrů, to znamená na desítky atomů. Za posledních čtyřicet let éry integrovaných obvodů se mikrosoučástky zmenšily desetitisíckrát. Při velkém vypětí technologů se ty dnešní možná podaří zmenšit ještě na polovinu. Dál už nemá smysl se namáhat, protože z celé pevné látky prakticky zůstávají pouze jednotlivé atomy. Lidé se snaží přijít na to, jak by se měl hardware dál vyvíjet, co dělat, až se dostaneme na tuto absolutní mez.
Jedním z těch směrů, který by ten problém mohl vyřešit, je tedy váš obor – spintronika? Co má v popisu práce?
Ve stručnosti: je oborem mikroelektroniky, který využívá kromě náboje i spin elektronu. Spin je odpovědný za magnetické chovaní látek, ale může ovlivňovat i jejich elektrické chování. Spintronické součástky se dnes používají například ve čtecích hlavách pevných disků nebo v operačních pamětech. Fyzikální výzkum spintroniky se snaží mikroskopicky pochopit známé jevy nebo najít jevy nové, prostřednictvím nichž na sebe spin a náboj elektronu v různých materiálech vzájemně působí. To by pak mohlo vést i k objevu nových principů fungování mikroelektroniky.
Co by mělo být tím novým principem?
Dnes je svět informačních technologií rozdělen na součástky pro zpracování informace, ten představují polovodičové procesory – tranzistory, a na součástky pro ukládání a čtení informací, kde hrají důležitou roli magnetické disky a již zmíněné spintronické senzory a paměti. V dnešních počítačích jsou tyto dva typy součástek oddělené. Kdyby se ale dala vytvořit jedna součástka, jeden čip, schopný informace zároveň zpracovávat i uchovávat, pak by tu byla úplně nová cesta, jak počítače významně zmenšit.
Síly, které mění svět - elektron s nábojem. Směr magnetického pole závisí na směru spinu (magnetického momentu hybnosti)
Jak tedy fyzici postupují?
Dnešní komerční spinotronické součástky jsou založené na feromagnetických materiálech. Těmi jsou třeba železo nebo kobalt. V nich proudí elektrony, jejichž spiny jsou uspořádané stejným směrem. Proto se železo chová jako magnet. Když se směr spinů elektronů v takovéto součástce změní, například vlivem magnetického pole bitu na pevném disku, tak se změní i proud elektronů a magnetický záznam z pevného disku se takto elektricky přečte. Na druhé straně tranzistory a z nich složené procesory, kde se informace zpracovává, jsou založené na polovodičích jako křemík nebo galium arzenid, které jsou nemagnetické. Nejjednodušší nápad byl, pokusit se sestrojit polovodič, který by měl zároveň i feromagnetické vlastnosti, takže by byl schopen jak uchovávat a číst, tak i zpracovávat informace. Tedy: choval by se jako železo, a zároveň jako křemík.
Příroda nám žádný takový vhodný materiál neposkytla, takže se musí vytvářet uměle, nejlépe skládáním z jednotlivých atomů a atomových vrstev. Začali s tím asi před dvanácti lety Japonci. Vzali ten známý nemagnetický polovodič galium arzenid a přimíchali do něj magnetický mangan. Mí kolegové ve Fyzikálním ústavu a na Univerzitě v Nottinghamu umí dnes připravit patrně nejkvalitnější takové materiály a podařilo se nám v nich najít nové fyzikální jevy a i sestrojit feromagnetické tranzistory. Tyto součástky však fungují jen při teplotách nižších než minus 100 stupňů Celsia, což pro komerční aplikace je samozřejmě nepoužitelné.
Takže slepá ulička?
Společně s dalšími týmy jsme si uvědomili, že existují ne sice nepřekonatelné, ale závažné fyzikální bariéry, které nám brání skloubit v jedné látce kvalitní polovodič a feromagnet fungující i při vysokých teplotách. Takže teď se díváme i jiným směrem a pokoušíme se tento problém obejít. Právě na tuto práci jsme dostali evropský grant ve výši dvou milionů eur.
A ten nový směr spočívá v čem?
Rozvíjíme dva směry: jeden je takový, že zkoušíme ovládat spiny jednotlivých elektronů v obyčejném, nemagnetickém polovodiči jako je galium arzenid. První otázka byla, jak spin elektricky detekovat v takovém polovodiči a to se nám podařilo pomocí tzv. spinového Hallova jevu. Jak ovládat spin pomocí elektrického pole už věděli lidé před námi, a tak stačilo dát ty dvě věci dohromady, aby vznikl první takový spinový tranzistor v nemagnetickém polovodiči. Je příznačné pro spintroniku, že v době, kdy se o fyzikální podstatě spinového Hallova jevu stále ještě vede živá vědecká diskuse, tak už slouží jako klíčový princip pro sestrojení nového typu experimentální mikrosoučástky.
Snímek spinového tranzistoru, který sestrojil tým Tomáše Jungwirtha, viděný elektronovým mikroskopem
Kdy se začnou vyrábět masově?
Tak to zatím určitě nehrozí. Vědci se snažili spinový tranzistor zkonstruovat dvacet let, takže z pohledu základního výzkumu je to podstatný posun. Rozhodně však ještě nemůže konkurovat těm klasickým. Jeho výstupní elektrický signál, který by měl být vstupem do dalšího tranzistoru a tím umožnit výpočetní operace, je o řád až dva slabší, než aby z něj mohla být funkční součástka. Ukázali jsme však, že i v nemagnetických, klasických polovodičích lze sestrojit tranzistor, který může fungovat díky spinu elektronu. Tím, že ovládáme spin a nikoli náboj elektronu, tak není potřeba tranzistorový kanál vyprazdňovat a zaplňovat elektrony, jako je tomu u klasického tranzistoru, a dokonce jim ani nemusí protékat elektrický proud. Vzpomněli jsme si na Werichovo, to je blbý, to se bude líbit a oni nám to opravdu otiskli v Nature Physics a Science.
A ten druhý směr?
Ten se týká toho posledního článku, který vyšel v Nature Materials. Kromě feromagneticky uspořádaných materiálů existuje mnohem širší třída látek, takzvaných antiferomagnetů. Ty mají rovněž uspořádáné spiny, ale jejich orientace se pravidelně mění, a proto se navenek látka nechová jako magnet. Na rozdíl od nemagnetického křemíku nebo galium arzenidu o sobě spiny elektronů vědí a toho se dá využít. Typický antiferomagnetický kov je třeba sloučenina iridium mangan. My jsme z ní dokázali vyrobit experimentální spintronickou součástku, tedy součástku, jejíž elektrické vlastnosti se mění, při otočení spinů, podobně jako u feromagnetů. To může být užitečné ze dvou důvodů: jednak je antiferomagnetů mnohem víc než feromagnetů, takže to výrazně rozšiřuje oblast materiálů, u kterých můžeme zjišťovat, zda by nebyly zajímavé pro elektroniku. Ještě podstatnější je ale to, že kvalitní polovodič a kvalitní antiferomagnet fungující při vysoké teplotě jdou dohromady mnohem lépe než v případě feromagnetů. Antiferomagnetické polovodiče se dokonce vyskytují v přírodě, třeba chalkopyrit. Určitě tuto cestu podrobně prozkoumáme. S kolegy z Karlovy Univerzity a Univerzity v Nottinghamu jsme rozjeli program vlastní výroby umělých antiferomagnetických polovodičů, ale zatím jsme na začátku, kdy ještě hledáme ten nejvhodnější materiál.
Jednoduchá vizualizace elektrických a magnetických sil
A v tomhle tedy tkví vaše dosavadní prvenství?
Na feromagnetických polovodičích pracuje spousta lidí na celém světě. Spintroniku v nemagnetických polovodičích studuje ještě více skupin. Ale antiferomagnetické – s těmi jsme skutečně začali my, nikdo jiný s nimi zatím v elektronice nepracuje.
To skoro vypadá na vznik nového oboru…
Na vysoké škole nám jeden profesor vštěpoval, že když přijdeme na něco nového, tak je to buď špatně, nebo jsme špatně hledali a už na to přišel někdo před námi. Musíme se nejdřív vypořádat s tímto panem profesorem, než budeme moci pomýšlet na start nového oboru spintroniky.
Tomáš JungwirthNarodil se 23. října 1967 v Praze. |
Pokud by se tu kýženou součástku „dva v jednom“ podařilo vytvořit, co by nastalo? Další miniaturizace a zrychlení počítačů? Úplný převrat?
Lidé se snaží zlepšit tři věci: velikost, aby se vešlo víc součástek a funkcí na čip. Rychlost s jakou jsou prováděny logické operace, přenos dat, ukládání a čtení. A třetí velmi důležitá věc je spotřeba energie. Výkonné procesory hřejí stejně jako žehlička, což je jednak zbytečné plýtvání energií a navíc začínají mít problémy s chlazením sama sebe.
Tak vezměme například tu velikost. Co by se změnilo?
Kdyby bylo možné sestrojit paměť a procesor v jedné polovodičové mikrostruktuře, tak místo dvou diskrétních součástek spolu složitě propojovaných by stačila jedna. Ušetřilo by se místo i energie, proud by nemusel téci z jedné součástky do druhé. Tyto součástky by mohly být samozřejmě i rychlejší, když není třeba přenášet informaci z jednoho místa na druhé. Kdyby tohle fungovalo, tak si člověk může vymýšlet spoustu dalších věcí – třeba i kombinaci spintroniky s optoelektronikou, kdy by se informace přenášely pomocí světla, nemůže být nic rychlejšího. Na součástky, které jsou schopny vydávat a přijmout světlo, nejsou vhodné kovy, ale polovodiče, takže opět tu hrají klíčovou roli spojení spintroniky s polovodiči. V článku v Nature Physics jsme vlastně jednu takovou experimentální opto-spintronickou součástku předvedli. Umožňuje přímou elektrickou detekci polarizace světla – takový polarimetrický mikročip.
Fyzik Tomáš Jungwirth
Vědci jsou někdy ochotní hledět do budoucnosti a říci svou vizi, jak bude jejich obor vypadat za padesát, sto let. Co vidíte v tomto časovém horizontu vy?
Já asi ochotný nebudu. Nevím, jak se k té otázce postavit. Zpětně viděno: většinu nejzajímavějších objevů, které se udály v našem oboru fyziky pevných látek, totiž nešlo předvídat. Štěstí přeje připravenému, takže autory takových objevů bývají zpravidla dobří odborníci, ale velmi často ty objevy přišly víceméně náhodou, jako vedlejší produkt jiné práce. Byly to věci, které se neočekávaly, v mnoha případech si lámali vědci deset, patnáct let hlavu, co ten objev vlastně znamená, čímž se znalost fyziky posunula dopředu. Takže já spíš doufám, že se v budoucnu zase objeví věci, které si dnes nedovedeme představit, protože ty bývají nejlepší, nejzásadnější.
Je pravda, že po letech bývají ty předpovědi velmi zábavné…
Jistě, tam, kde všichni předpokládali raketový start, verneovské vize, setrváváme na stejné úrovni a tam, kde to nikdo nečekal, kde se držely představy při zemi, se dějí věci. V našem oboru je fascinující, jak se součástky zmenšují na úroveň meziatomových vzdáleností a to začalo teprve před čtyřiceti lety. Tehdy ti nejlepší fyzici říkali: nedívejte se do hvězd, podívejte se do nitra pevných látek, tam je ještě místa. Vědělo se, že meziatomové vzdálenosti jsou deset na minus devátou metru, že je tam ještě devět řádů, kde se lidi mohou pohybovat, kde mohou ukládat a zpracovávat informace. A dnes je to pravda, během čtyřiceti let se lidi dostali až téměř na samou podstatu pevných látek a ty součástky pořád fungují, to mi připadá fascinující, neuvěřitelné.
Nanotechnologie. Snímek ukazuje uspořádaný soubor nanokuliček na holografické mřížce, která přesně určuje polohu každé kuličky.
To je pravda, v nanosvětě jsou dnes vědci jako doma.
A nejen vědci, ale i inženýři v high-tech firmách dnes rutinně a masově obrábějí součástky s přesností na desítky nanometrů, takže desítky atomových vrstev. S tím samozřejmě přímo souvisí prudký rozvoj informačních technologií. Byl jsem jeden z prvních, kdo už psal diplomovou práci na počítači. Kolegové z vyšších ročníků ji ještě ťukali na stroji. Ve Fyzikálním ústavu jsme měli první e-mail v roce 1990. A dneska? Málokdo je schopen si uvědomit, co takový počítač nebo chytrý mobil v sobě obsahuje fyzikálních objevů posledních čtyřiceti let a geniálního inženýrství k tomu.
Někdy mi připadá, že většina lidí samozřejmě užívá přístroje, kterým ale vlastně nerozumí a že začínáme být totálně závislí na úzké skupině lidí, kteří IT ovládají.
Uživatelsky ovládat elektroniku už umíme téměř všichni, psát kvalitní software, to už je užší skupina stejně jako těch, kteří tuší, jak vzniká na počítači hardware, obzvlášť na mikro nebo nanoúrovni. Já se toho moc nebojím, trávím s takovými lidmi spoustu času, tak mohu dosvědčit, že jsou celkem normální.
Vy jste také svědkem toho, jak rychle se objevy ze základního výzkumu dostávají do masové výroby.
V každém pevném disku, každé čtecí hlavě máte spintronickou součástku, díky níž se kapacita zvětšila za posledních deset let o mnoho řádů. Umožnil to fyzikální objev, který učinil v roce 1988 Peter Grünberg a nezávisle se svou skupinou i Albert Fert a v roce 1997 už na tom fungovaly prakticky všechny pevné disky. Oba pánové za objev dostali v roce 2007 Nobelovu cenu. Byl to fundamentální fyzikální objev a během deseti let se z něj stala masová komerční záležitost. Bylo by fajn, kdyby si lidi uvědomovali, že není samo sebou, že dnes telefony a počítače takhle vypadají a tolik toho umějí, že v tom hrál velkou roli základní výzkum a zároveň úžasné inženýrství.
Roustoucí kapacita harddisků je příkladem rychlé aplikace vědeckých objevů
Vy asi musíte poslouchat s určitou hořkostí, když slyšíte od našich politiků o tom, že základní výzkum je zbytečný a finance by měly směrovat hlavně do aplikovaného.
Ano, s hořkostí… Ale já se jim tak úplně nedivím. Je těžké někdy poznat, který základní výzkum povede k významnému prohloubení našich znalostí a ještě těžší je odhadnout, který výsledek a za jak dlouhou může být prakticky využitelný. Ani vědci sami v tom většinou nemají jasno a snaží se řídit tím, co je z vědeckého pohledu zajímavé, čili nové nebo těžko pochopitelné, ale dát na tohle nějaká přesná pravidla, je vlastně nemožné.
Jak tedy rozhodovat, který směr podpořit, komu dát peníze?
To musí jít podle toho, jestli nějaký tým má ve vědě dobré výsledky, zda je uznávaný ve světě a má kvalitní publikace a bohaté ohlasy. Na základě toho lze zjistit, jestli jejich výzkum má smysl, anebo ne. Jisté je, že politici, kteří sami vědeckou práci nikdy nedělali, v tom tápou. Avšak nejlepší technologie jsou velmi často založeny na objevech ze základního výzkumu. Přiškrtí-li se základní výzkum, zpomalí a nakonec vyčerpají všechny technologie, neboť nebudou mít přísun nových nápadů. Udržet na nějaké úrovni základní výzkum je nezbytnost.
Jak jste vy dostal mezi světovou špičku, která publikuje v Nature a Science a dostává milionové granty? Genetické vlohy, pracovitost, štěstí?
Věda není sport, nemáme žebříčky, že by byl někdo v oboru číslo jedna… Nicméně existuje něco takového jako dobrý pocit, že nemáte problém bavit se s jakoukoli laboratoří ve světě jako rovnocenný partner, že si můžete předat něco vzájemně. Tohle by asi měl být cíl snažení člověka ve vědě. Musím taky zdůraznit, že to, co my děláme, je práce velkého týmu. Je naprosto nemožné, aby to byl schopen dělat jeden člověk. Někdo se víc zabývá organizací, jiný experimentální prací, další má zase na starosti kupříkladu teoretické výpočty.
Profil Tomáš Jungwirtha na internetových stránkách univerzity v Nottinghamu
Nicméně tomu, jak se dělá špičková věda, jste se asi přiučil v USA.
Ano, strávil jsem tam šest let a měl jsem štěstí, že jsem se dostal k člověku, který patří mezi nejlepší fyziky pevných látek, navíc k člověku velmi příjemnému. To sebevědomí v jeho skupině bylo nakažlivé. Po tomto pobytu by mě už nebavilo dělat vědu jinak. Někdy je to však časově náročné. V okruhu lidí, s nimiž spolupracuju, je běžné, že spolu komunikujeme v noci, o víkendu, práce se nám všelijak proplétá normálním životem. Můj americký kolega když doučí na univerzitě, tak každý rok přijede na dva, tři měsíce k nám do Fyzikálního ústavu a od rána do večera počítá. Libuje si, že má na to v Praze konečně klid a říká tomu fyzikální dovolená. Od fyziky.
