• Eva Matuszna

Article: AVČR - Naše paměťové nosiče mohou změnit elektroniku, jak ji známe v současnosti

Updated: Nov 9, 2018

3/2018

in Czech


Jedná se o celou novou vědní oblast, a Jungwirth proto dostal pozvání ji představit na plenárních přednáškách na nejvýznamnějších mezinárodních konferencích o magnetismu (Intermag, ICM, JEMS), které se letos konají v Singapuru, San Francisku a Mohuči. Jako první na světě tým dokázal, že takzvané antiferomagnetické materiály, jež byly dosud považovány za prakticky bezcenné, je možné elektricky přepisovat. K zápisu informace navíc stačí elektrické pulzy trvající jen jednu pikosekundu, což je tisíckrát kratší doba, než jakou umožňují dnes používané mikroelektronické součástky. Oddělení spintroniky Fyzikálního ústavu, které Jungwirth vede, si své mezinárodní postavení v oboru buduje dlouhodobě, o čemž mimo jiné svědčí tři desítky článků publikovaných v rodinách časopisů Nature a Science za posledních deset let a dva granty Evropské výzkumné rady.

Co potřebuje vědec k tomu, aby se dostal tam, kde jste vy? Rozhodně by měl dostatečně brzo odjet z místa, kde studoval. Mobilita ve vědě je strašně důležitá, a čím dřív se s tím začne, tím líp. Protože jedině tak člověk získá základní návyky jak se ve vědě, která je ze své podstaty mezinárodní, orientovat. A nejde jen o to, naučit se svůj obor, ale také se naučit nebát mezinárodní konkurence, a naopak si spolupráci se skvělými zahraničními skupinami užívat.

Vám bylo kolik, když jste odsud odjel? Šestadvacet, to bylo v polovině 90. let.

A to všechno jste měl v sobě srovnané? Vůbec ne. S manželkou jsme čerstvě vystudovali, měli jsme malé děti a tady bychom se živili jen obtížně. Řekli jsme si,

že jediná šance je vycestovat. Dostali jsme se do Ameriky, kde jsme oba pracovali na univerzitě v rámci svého doktorského studia a pak pokračovali jako postdoci. Když to řeknu upřímně, byl to pro nás oba na začátku hlavně způsob, jak se uživit.

Rozumím tomu správně, že jste nebyl vyloženě akademický typ? I když jste ze známé vědecké rodiny... Možná právě proto. U nás hrál tuhle roli od dětství můj starší bratr Pavel (fyzikální chemik Pavel Jungwirth – pozn. red.). On to měl v sobě vrozené, takže tím dělal radost nejen sobě, ale i svému okolí. Na mě tím pádem nebyla upřená taková pozornost, ani na gymnáziu jsem neměl nějakou zvláštní touhu studovat fyziku nebo se učit víc, než co po mě chtěli ve škole. Vysokou školu jsem pak sice studoval, ale cvičil jsem u toho šest hodin denně na kytaru, amatérsky jsme hráli Vivaldiho a Bacha…

Proč jste si nevybral ke studiu uměleckou školu, ale Matematicko-fyzikální fakultu? Já jsem si s tou myšlenkou pohrával, ale přišel rok osmdesát devět… A pak, pro mě bylo jednoduché dělat to, co dělal můj bratr: studoval jsem stejné gymnázium, stejnou vysokou školu… Když jsem si s něčím nevěděl rady, šel jsem za ním, on mi to za minutu vysvětlil, bylo to v podstatě bez práce. A na konci vysoké školy jsem měl první dítě, vzápětí druhé... A jsme zase u té nutnosti se nějak živit.

Jak dlouho jste v Americe žil? Celkem asi šest let. My jsme jezdili sem a tam, chtěli jsme, aby si děti udržovaly češtinu.

Proč jste se sem vrátil natrvalo? Protože jsem tady dostal příležitost, kterou bych ve Spojených státech hledal jen těžko. Mohli jsme si tu s kolegy vybudovat rozsáhlou skupinu, která zahrnuje vše od přípravy materiálů a výroby mikro- a nanosoučástek přes experimentální metody výzkumu až k teoretickým výpočtům, jsem původně teoretik. V Americe to naproti tomu funguje většinou tak, že se specializujete na nějakou svoji úzkou dovednost. Kdybych pracoval tam, zůstal bych teoretikem a pak hledal externí spolupráce experimentálních vědců. Ale musím říct, že i tu příležitost v Česku jsem si trochu pojistil, měl jsem zadní vrátka, kdyby to nevyšlo: na univerzitě v Nottinghamu jsem dostal profesorské místo, nabídli mi i možnost částečného úvazku a v experimentech byli dál a hodně nám v počátcích pomohli.

Všimla jsem si, že s univerzitou v Nottinghamu spolupracujete i v současném evropském projektu Aspin s grantem ve výši čtyř milionů eur. Ano, a je to náš pátý společný evropský grant v řadě, jsme v každodenním kontaktu. A nic není náhoda: díky Notting- hamu jsme získali kontakty na univerzitu v Cambridge, se kterou spolupracujeme od roku 2004, a v Cambridge je zase laboratoř japonské firmy Hitachi, se kterou jsme podepsali smlouvy o společné ochraně intelektuálního vlastnictví. Teď nám začne třetí pětiletá smlouva.

Na projektu Aspin se také podílí tři Max Planckovy instituty v Německu, univerzita v Mohuči, španělská firma. Fyzikální ústav je vašim prostřednictvím koordinátorem projektu... Jak taková koordinace probíhá? My jsme definovali obor, ve kterém se bude v rámci grantu pracovat, a dá se říci, že to koordinujeme nejenom po administrativní, ale i po vědecké stránce. Celkem je tam osm organizací, s některými kolegy, jako jsou právě ti z univerzity v Nottingahmu a Mohuči, spolupracujeme velmi dlouho, naopak třeba s Max Planckovými instituty je ta zkušenost čerstvá.

Zmínil jste, že jste původním zaměřením teoretický fyzik. Co vás nasměrovalo ke spintronice? Právě můj pobyt v USA. U profesora Allana MacDonalda jsem se věnoval kvantovému Hallovu jevu, což byl čistě akademický výzkum. Ale někdy v polovině 90. let se profesor MacDonald vrátil z jedné konference s tím, že spintronika je úžasně zajímavá, je tam spousta nevyřešených vědeckých problémů a má obrovský potenciál v mikroelektronice. Takže mě inspiroval a společně jsme si vybrali témata, jak začít. Ale zatímco on zůstal na teoretické bázi, já se postupně začal podílet s kolegy v Praze a Nottinghamu i na budování většího experimentálního týmu.

Proč je spintronika tak zajímavá? Z praktického hlediska protože i díky ní došlo k informační revoluci: dnes můžeme na internet uložit a zpět získat v podstatě neomezené množství informací. My vlastně každou vteřinu ukládáme někde v cloudu hodinu videa! A v tom má prsty spintronika, protože hlavním úložištěm jsou magnetické pevné disky, v nichž se klasické cívky koncem 90. let nahradily spintronickou součástkou pro čtení dat. Dnes se začínají masově vyrábět také spintronické paměťové čipy a vyvíjí logické součástky s uplatněním nejen v cloudech, ale také v rodící se nové oblasti technologií, kterým se říká internet věcí. Původním hybatelem této revoluce je i jeden z našich spolupracovníků na evropském projektu Stuart Parkin, který pracoval v IBM a dnes působí na Max Planckově institutu v Německu.

Co všechno bude umět váš nový typ spintronických pamětí? Nejde o vylepšení nějakého již používaného konceptu nebo materiálu, je to úplně nový přístup, protože místo tradičních feromagnetů pracujeme s antiferomagnety. Mají zajímavý potenciál, například proto, že se jejich schopnosti v některých ohledech blíží funkcím lidského mozku – zdá se, že antiferomagnetická paměťová součástka dokáže na rozdíl od té klasické feromagnetické nebo polovodičové pracovat se spojitým spektrem stavů, z čehož mohou profitovat oblasti jako umělé inteligence a neuronové sítě. Navíc jsme prokázali, že naše paměťové nosiče umožňují tisíckrát rychlejší zápis, pohybují se tedy na teraherzové škále, nebudí magnetické pole a nejsou citlivé na vnější rušivé magnetické pole.

Kdy budou fungovat v praxi? Nám už fungují, ale jde jen o prototypy pro demonstraci základního principu. Nicméně není běžné, když na vědecké konferenci představíte nový fyzikální koncept zapojením jednoduchého USB zařízení do počítače před zraky diváků místo výkladu nad komplikovanými experimentálními daty získanými v laboratoři. Má to výrazný psychologický efekt, a to i na nás směrem k úvahám o možném praktickém využití.

Kolik těch zařízení máte? Tak deset, abychom měli všichni jeden do kapsy... Ale jak říkám, je to jen hračka, teď se pokoušíme udělat vyšší verzi jako prototyp pro už konkrétní aplikaci.

Jak odhadujete jejich masovější rozšíření? To je těžké odhadovat. Výrobci mikročipů se dnes dají spočítat na prstech jedné ruky. Je to velmi náročná technologie, která si vyžaduje extrémně drahé vybavení, takže je nemožné přejít ze dne na den na úplně jiný princip nebo materiál. I proto existovala mezinárodní technologická cestovní mapa polovodičů, která pravidelně vydávala jakýsi manuál, podle nějž se všechno řídilo: mnoho let dopředu se stanovilo, jak budou součástky vypadat, z jakého budou materiálu, co je potřeba na jejich výrobu… O takovém plánovaném hospodářství se komunistům ani nesnilo. Pokud by taková cestovní mapa neexistovala, nebyl by pokrok v elektronice zdaleka tak rychlý. Zároveň to však znamenalo, že v polovodičovém průmyslu nebylo po desetiletí v podstatě možné přijít s něčím zásadně novým oproti zavedeným křemíkovým technologiím... Na druhou stranu, poslední cestovní mapa vyšla v roce 2016.

A další bude kdy? Žádná podobná další už nebude. Nahradí ji cestovní mapa zařízení a systémů, ale v tomto případě půjde jen o doporučení, rámcový výhled do budoucna. Souvisí to s tím, že polovodičový průmysl založený na principu zmenšování a zároveň zlevňování mikroelektronických součástek ví, že je na konci svých sil. Také se zásadně proměnilo prostředí informačních technologií: výpočetní technika dnes už ne

znamená jen co nejvýkonnější univerzální počítač v kanceláři nebo cloudu. Dneska jsou všude mobilní zařízení, pro chytrá města se zavádějí sítě senzorů, směřujeme k autonomním vozidlům…. Pro zpracování ohromného množství dat, která se takto generují, se nemůžeme spolehnout, že je všechna po internetu přeneseme do cloudu, tam se zpracují a po internetu se vyšlou do terénu instrukce zpět ke všem koncovým zařízením. Je potřeba vyvinout nový typ specializovaných a úsporných součástek, které dokážou potřebná rozhodnutí udělat na místě. Součástky s umělou inteligencí tady mohou mít velkou výhodu. Samostatným problémem je pak rychlá, ale zároveň bezpečná datová komunikace v tomto novém světě internetu věcí.


Tomáš Jungwirth v laboratoři

To znamená, že právě teď je ten ideální okamžik pro vás? Šance prosadit se s novou myšlenkou je teď mnohem větší. My jsme si to už vyzkoušeli při vývoji nové technologie na detekci vozidel pro chytrá města, kterou jsme postavili na jednom klasickém spintronickém principu. Systém jsme poprvé odzkoušeli na Národní v garážích Akademie věd ČR v rámci spolupráce Střediska společných činností a malé elektrotechnické firmy IGS research – ta se díky tomu teď také účastní našeho evropského grantu. Po úspěšných komerčních instalacích našich detektorů jsme získali už i významného distribučního a licenčního partnera, firmu E.ON. Trochu tedy víme, jak vypadá svět i mimo naše vědecké laboratoře, a motivuje nás to přemýšlet, kde a jak by se daly využít také naše vlastní nové spintronické principy a součástky.

Základem vašich spintronických pamětí jsou takzvané antiferomagnetické materiály. Jak byste je popsal? Za to, že se látka chová magneticky, může jedna vlastnost elektronu, které se říká spin. Připodobnil bych to ke střelce kompasu. U feromagnetických materiálů jako železo mají elektrony schopnost orientovat svoje střelky jedním směrem, takže je můžeme snadno pomocí elektromagnetu – cívky přepínat z jedné strany na druhou. Na tomhle principu fungovaly magnetofony a dodnes se tak zapisují data na pevné disky. Kdežto u antiferomagnetických materiálů jsou sice střelky taky uspořádané, ale tak, že u sousedních atomů směřují opačně. Navenek tak není patrné, že se jedná o magnetickou látku. Toto chování popsal ve 30. letech minulého století francouzský vědec Louis Néel, o 40 let později za to dostal Nobelovu cenu. Ve své nobelovské přednášce řekl, že antiferomagnety jsou teoreticky velmi zajímavé, jsou dokonce častější než feromagnety, ale prakticky nejsou k ničemu. A my jsme po dalších čtyřiceti letech začali přemýšlet, jestli by přece jen nemohly k něčemu být.



prof. Tomáš Jungwirth, Ph.D.

Narodil se roku 1967 v Praze. Vede oddělení spintroniky a nanoelektroniky ve Fyzikálním ústavu AV ČR a působí jako profesor na britské University of Nottingham. Doktorát získal na Matematicko-fyzikální fakultě UK, pracoval na univerzitách v USA a patří mezi nejcitovanější světové vědce v oboru spintroniky. Je členem Rady pro výzkum, vývoj a inovace české vlády a je ve vedení Evropské výzkumné rady. Pochází z vědecké rodiny, jeho otec Karel (1941) byl místopředsedou Akademie věd ČR, jeho starší bratr Pavel (1966) je fyzikální chemik.

………………………..

Dá se říci, že jste první na světě, kteří se systematicky začali věnovat využití antiferomagnetů v elektronice? Ano. Protože když někde v laboratoři při pokusech s magnetickými atomy narostl antiferomagnet, tak se hodil do koše: „No jo, další antiferomagnet...“ Z klasické fyziky totiž vyplývá, že jediným způsobem, jak antiferomagnetické materiály efektivně ovládat, je natočit cívku kolem každého jednotlivého atomu. A teď si představte, že jedna jednotka informace, pouhý jeden bit, uložený na vašem pevném disku, potřebuje zhruba milion až miliardu takových atomů. Musela byste natočit milion až miliardu cívek, pokud byste do antiferomagnetu chtěla zapsat jeden bit informace. Přitom už představa cívky natočené okolo jednoho samotného atomu nezní moc prakticky. Z toho důvodu se to považovalo za úplné science fiction. A my jsme měli to štěstí, že se nám to podařilo obejít: objevili jsme takové antiferomagnety, do kterých se pošle obyčejným způsobem elektrický proud a ony si ty cívky vytvoří samy. Za nás. Ne skutečné, jen virtuální, ale to stačí. O tom je náš předloňský článek v Science.

Jak se takové cívky samy v krystalech vytvářejí? Na jakém principu to funguje? To vysvětlení vyžaduje znalost kvantové relativistické fyziky... Kdybych to měl zjednodušit, tak klíčovým aspektem je symetrie krystalu. Ale nepředstavujte si, že jsme se k tomu dobrali hned. My jsme dělali brutální experimenty, že jsme různé antiferomagnety zahřívali nad sto stupňů Celsia nebo jsme je strkali do supravodivého desetiteslového magnetu... To také nebyl praktický způsob pro jakoukoliv aplikaci, ale nakonec nás to navedlo na tu správnou stopu a věci se daly rychle do pohybu.

Antiferomagnety se dají nalézt i v přírodě, nebo si je připravujete v laboratoři? Některé se vyskytují i v přírodě – jako např. chalkopyrit. To je známý antiferomagnetický materiál, který se nachází například v měděných dolech v Chile a používá se jako zdroj mědi: to znamená, že se rozpeče, udělají se z něj měděné dráty nebo okapy a ten původní antiferomagnet se tím zničí, protože si lidé myslí, že měď je zajímavější. Ale my se na nikoho nezlobíme, protože kvalita takového přírodního materiálu nikdy nebude dostatečně dobrá na to, aby se mohl používat v elektronice. Jsou tam nečistoty, přimíchané jiné prvky... My si všechno připravujeme laboratorně, přičemž platí, že pokud se prvky k sobě snadno vážou i v přírodě, tak příprava v laboratoři bývá snazší. U jiných materiálů se musí hodně „znásilnit“.

U vašich krystalů se jedná spíš o to znásilňování, nebo přirozenou krystalizaci? Prvky v našich krystalech se mají zrovna celkem rády. Pracujeme hlavně s mědí, manganem a arzenem. Ale například i se sloučeninou manganu se zlatem.

Říkáte, že antiferomagnet v laboratoři „roste“. Jak dlouho trvá, než doroste? Začíná to dokonalou vakuovou aparaturou, přičemž vakuum je tam skoro jako v mezihvězdném prostoru… V aparatuře máte kelímky s jednotlivými prvky v co nejčistší podobě – to si nevyrábíme, na to jsou specializovaní dodavatelé – a ten zdroj prvků zahřejeme, načež se začnou vypařovat a dopadají na vhodně zvolenou podložku. Tímto kontrolovaným způsobem, vlastně po jednotlivých atomových vrstvách, si ten krystal vytvoříte. Než doroste jedna vrstva, trvá to několik sekund, celý materiál může růst minuty až hodiny. My většinou pracujeme s velmi tenkými vrstvami, to znamená s desítkami až stovkami atomových vrstev.

Na začátku jsme mluvili o tom, že předpokladem úspěšného vědce je včas odjet. Co je předpokladem úspěšného týmu? Věda je o otevřenosti. To neznamená, že bychom neměli být opatrní na to, komu co sdělíme a v jakém stádiu výzkumu. Ale když se budu pohybovat v naší skupině nejbližších spolupracovníků, tak tam každý může říct v podstatě cokoliv, i úplně nepromyšlenou ptákovinu. Může se i stát, že někdo jiný přijde na to, že to není hloupost, ale skvělý nápad. Pak se taky velmi hodí, když se k jednomu společnému problému dostanou lidé s velmi různou odborností. Sledovat dynamiku kolektivního myšlení v týmu je možná to, co mě na naší práci nejvíc baví.

http://www.avcr.cz/opencms/export/sites/avcr.cz/.content/galerie-souboru/AB/2018/AB-03-2018.pdf

e-magazín AV ČR | 3/2018

15 views

Email:        matuszna@fzu.cz

Address:   Institute of Physics

                   Cukrovarnická 10/112
                   162 00 Praha 6

                   Czech Republic

© 2018 Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences. Proudly created with Wix.com