Predstavte si počítač, ktorý pracuje tisíckrát rýchlejšie ako súčasné stroje. To už nie je len fantázia zo sci-fi románu. Tím z Tokijskej univerzity dokázal to, čo sa donedávna považovalo za nemožné. Podarilo sa im takpovediac „zaznamenať“ procesy prebiehajúce v magnetických materiáloch v časovom meradle, ktoré ľudský rozum nie je schopný priamo pochopiť. Je to prvý takýto presný pohľad na svet, ktorý môže určiť budúcnosť elektroniky.
Kľúčovú úlohu zohrali antiferomagnetické materiály, v ktorých sú spiny elektrónov umiestnené opačne, čím sa eliminuje ich interakcia s vonkajším prostredím. Po mnoho rokov boli považované za kandidátov na vytvorenie novej generácie pamätí a procesorov. Avšak doteraz nikto na vlastné oči nevidel, ako presne prebieha prepínanie v nich. Výskumy menia túto situáciu a ukazujú nielen jeden, ale dva samostatné mechanizmy tohto javu. Je to ako objavenie dvoch úplne odlišných ciest na vrchol tej istej hory.
Ako fotografovať niečo rýchlejšie ako blesk.
Hlavnou prekážkou bola samotná povaha tohto javu. Vedci museli merať procesy, ktoré boli kratšie ako trvanie laserového impulzu. Počas mnohých rokov zdokonaľovali magnetooptickú metódu, aby mohli sledovať jemné zmeny v materiáli. Ako predmet výskumu použili zlúčeninu mangánu a cínu (Mn₃Sn), ktorá už dlho priťahovala pozornosť svojimi jedinečnými magnetickými vlastnosťami.
Výsledok, ktorý sa podarilo dosiahnuť po zdokonalení techniky, bol impozantný. Po prvýkrát v histórii sa vedcom podarilo zaznamenať, snímku po snímke, vývoj magnetického vzoru v reálnom čase. Vytvára to dojem, ako keby ste sledovali super spomalený záznam pretekov Formuly 1. Vizualizácia jasne ukázala, že spôsob prepínania závisí od intenzity prúdu pretekajúceho materiálom, čo vedie k dvom rôznym cestám.
Dve cesty k jednému cieľu. Horúca a studená
Prvý z identifikovaných mechanizmov má termický charakter a aktivuje sa pod vplyvom silného prúdu. Materiál sa zahrieva a tepelná energia spôsobuje zmenu orientácie spinov. Je to podobné ako prepnutie prepínača pomocou vysokej teploty. Druhý proces sa ukázal byť z technologického hľadiska oveľa zaujímavejší.
Netermický mechanizmus prebieha pri nízkej intenzite prúdu, prakticky bez zahrievania štruktúry materiálu. Práve on môže byť kľúčom k skutočným zmenám. Zariadenia pracujúce pri nízkych teplotách sú svojou povahou stabilnejšie, energeticky úspornejšie a potenciálne rýchlejšie. Tento mechanizmus otvára perspektívu pre superrýchle, energeticky nezávislé pamäťové a logické systémy. Neprchavosť znamená, že informácie sa po vypnutí napájania nestratia, ako v prípade flash pamäte, ale rýchlosť ich práce bude úplne iná. Takáto technológia môže nájsť uplatnenie nielen v pamäti, ale aj v zložitých výpočtových alebo komunikačných systémoch.
140 pikosekúnd – to možno nie je konečná hranica
Najkratší pozorovaný čas prepnutia bol 140 pikosekúnd. Pre lepšiu predstavu: za tento čas svetlo vo vákuu prekoná vzdialenosť len asi 4 centimetre. Hoci to znie nepredstaviteľne, samotní vedci predpokladajú, že to pravdepodobne nie je konečná hranica možností materiálu. Súčasné obmedzenie súvisí hlavne s technickými možnosťami generovania ultrakrátkych impulzov prúdu v použitej experimentálnej konfigurácii. Samotná zliatina Mn₃Sn je pravdepodobne schopná prepínať sa ešte rýchlejšie. Tím už plánuje ďalšiu prácu s ešte kratšími impulzmi a optimalizovanou štruktúrou skúmaných vzoriek, aby overil, kde leží fyzická hranica tohto javu.
Teoretici už dávno predpokladali, že antiferomagnetické materiály môžu meniť svoj magnetický stav mimoriadne rýchlo. Teraz sa to podarilo po prvýkrát potvrdiť experimentálne a, čo je ešte dôležitejšie, vidieť, ako presne tento proces prebieha. To má zásadný význam v kontexte vývoja celej elektroniky. V ére spomalenia pôsobenia Mooreovho zákona a fyzikálnych obmedzení miniaturizácie tradičných tranzistorov sa spintronika, teda elektronika využívajúca spin elektrónu spolu s jeho nábojom, javí ako jedna z najsľubnejších ciest rozvoja.
Čo to všetko znamená v praxi?
Pri pohľade na tieto objavy je ťažké nemať dojem, že sme svedkami niečoho dôležitého. Doteraz bola práca v oblasti spintroniky plná sľubných prototypov, ktoré sa ťažko dostali za hranice inštitútov. Úspech tímu z Tokia však spočíva v niečom inom – v hlbokom pochopení fyzikálnych základov. Práve takéto pochopenie je potrebné na to, aby sa budúce technológie vyvíjali vedome a nie metódou pokusov a omylov. Otvorili dvere pre ďalší, cielenejší výskum. Budeme mať o niekoľko rokov v notebookoch spintronické pamäte? Možno. Avšak vedomosti získané vďaka takýmto experimentom nás určite približujú k momentu, kedy budeme môcť na túto otázku odpovedať s úplnou istotou.
