Obyčejná rez jako klíč k úsporným kvantovým počítačům: Vědci potvrdili nový typ magnetismu

Vědci z Oak Ridge National Laboratory (ORNL) potvrdili klíčový znak altermagnetismu v hematitu, což je v podstatě běžná rez.

Vědci ve Spojených státech učinili významný objev týkající se hematitu, běžného oxidu železa známého spíše jako rez. Prokázali, že tento materiál vykazuje vzácnou a nově se objevující formu magnetismu, takzvaný altermagnetismus. Tento průlom, jehož autory jsou výzkumníci z Oak Ridge National Laboratory (ORNL), poskytuje jeden z nejjasnějších experimentálních důkazů altermagnetismu, nově identifikované třetí formy magnetismu, poprvé navržené v roce 2022.

Hematit je jedním z nejrozšířenějších minerálů na Zemi, je hojný, chemicky stabilní a netoxický. Navíc si zachovává stabilitu i při teplotách přesahujících 650 stupňů Celsia, což z něj činí ideální materiál pro spintroniku fungující při pokojové teplotě bez nutnosti intenzivního chlazení. „Potvrzením altermagnetické povahy hematitu otevíráme inženýrům novou platformu pro navrhování vysokorychlostní, nízkoenergetické kvantové elektroniky s využitím materiálů, které jsou levné a široce dostupné,“ uvedl Qiyang Sun, vedoucí projektu a postdoktorandský výzkumník z ORNL.

Altermagnety se od konvenčních feromagnetů a antiferomagnetů liší tím, že elektrony v nich mají spiny uspořádané v opačných směrech, což umožňuje tok čistých spinových proudů bez elektrického náboje. Díky tomu jsou ideální pro spintronické aplikace. Spintronika, neboli magnetoelektronika, je technologie, která pro zpracování a ukládání dat využívá spin elektronů namísto jejich náboje. To by mohlo vést k zařízením, která fungují rychleji a spotřebovávají podstatně méně energie než moderní elektronika. Identifikace praktických a vhodných materiálů pro spintronické využití však dosud představovala velkou výzvu.

Pro ověření vlastností hematitu se vědci obrátili na Spallation Neutron Source (SNS), jedno z nejpokročilejších neutronových výzkumných zařízení na světě. Tým zde použil techniku zvanou nepružný rozptyl neutronů, při níž neutrony ztrácejí nebo získávají energii přenosem energie do vzorku. Tímto způsobem vědci zkoumali vnitřní magnetickou dynamiku materiálu na atomové úrovni. Neutrony, ačkoliv nenesou elektrický náboj, mají magnetický moment a jsou jedinečně vhodné pro studium magnetismu. Výsledky ukázaly zřetelné štěpení energie spinových vln, což je jemný, ale definitivní znak altermagnetismu. Tento jev, nazývaný magnonové štěpení, nelze zachytit jinými experimentálními technikami. Výzkum kombinoval experimenty s modelováním pomocí softwaru Sunny z ORNL a vysoce výkonných počítačů.

Potvrzení altermagnetismu v hematitu – materiálu tak běžném jako rez – ukazuje, že potenciální součást pro další revoluci ve vysokorychlostní, nízkoenergetické kvantové elektronice může být již všude kolem nás. Podle vědců by tyto poznatky mohly přetvořit design elektroniky. Věří, že spinové proudy bez náboje by mohly snížit energetické ztráty a teplo a zvýšit účinnost. Budoucí práce prozkoumá, jak mezery ve spinových vlnách ovlivňují přenos tepla v hematitu. Studie byla publikována v časopise Physical Review Letters.