Tomáš Jungwirth: Baví mě vracet se k úplným základům fyziky

Stál jste u zrodu oboru, který se jmenuje antiferomagnetická spintronika. Začněme tím druhým termínem. Co je to spintronika a proč by nás měla zajímat?

Některé typy polovodičových bitů v čipech už je ekonomicky neúnosné dále zmenšovat nebo dokonce přestávají na dnešních mikroskopických rozměrech z fyzikální podstaty fungovat. Aplikační část oboru spintronika dnes tyto polovodičové bity začíná nahrazovat magnetickými, do kterých se informace zapisuje a čte nejen pomocí elektronového náboje, jak je tomu u polovodičů, ale i spinu elektronů. Důležité je, že nejde o inovaci na konci technologického řetězce, ale na jejím začátku. Před několika lety dokonce největší hráči, kteří vyvíjejí a vyrábějí nejpokročilejší čipy na světě, spintronické technologie převzali, čímž se spintronika stává významným doplňkem konvenčních polovodičů.

Jak se liší polovodičový zápis bitu od spintronického?

Polovodičové jedničky a nuly jsou reprezentovány polovodičovými kanály, které se buď vyprázdní nebo zaplní elektrony. Spintronický bit má dvě magnetické elektrody oddělené úzkou nemagnetickou štěrbinou složenou jen z několika atomových vrstev. Aby proud protékal, tak musí magnetické póly elektrod, a tím i elektronové spiny, směřovat v obou elektrodách stejným směrem. Naopak proud neprotéká nebo téměř neprotéká, pokud póly směřují opačně.

Věděl jste už v době, kdy jste se spintronikou začínal zabývat, že by jednou mohla hrát tak důležitou roli?

Zaujala mě zhruba před 25 lety v době, kdy šlo o velmi mladý a rozvíjející se obor. Bylo to krátce po objevu takzvané gigantické magnetoresistence, což je princip, který se používá ke čtení informace ve spintronických bitech. Za tento objev byla posléze v roce 2007 udělena Nobelova cena a našel poměrně rychle první uplatnění v aplikacích, konkrétně v čtecích hlavách pevných disků. Od té doby se hodně změnilo, obor se posunul a mění se i prostředí informačních technologií, rozvíjí se umělá inteligence a machine learning.  Tím přesouvá pozornost vývojářů procesorových čipů od aritmeticko-logické jednotky směrem k rychlým, energeticky nenáročným a vysokokapacitním pamětem, které umožní práci s velkým objemem dat. A v tom otevírá spintronika nové možnosti. 

Přesuňme se k druhému termínu. Tím je antiferomagnet.

Spin elektronu je elementární magnet, který si v sobě nese každý elektron, a jeho kolektivní chování způsobuje magnetismus v látkách. V klasických magnetech, tak zvaných feromagnetech, má většina elektronů svoje spiny orientované stejně, jako je orientovaný magnet samotný. 

Antiferomagnety jsou třídou magnetů, které se od klasických feromagnetů liší tím, že mají v atomové mřížce elektronové spiny, jejichž orientace se pravidelně střídá od jednoho k sousednímu atomu v mřížce. Takže materiál je magneticky uspořádaný, ale jako celek nemá magnetické póly, což je jeho potenciální veliká výhoda. 

Jak dlouho už antiferomagnety známe?

Od 30. let minulého století, ale předpokládalo se, že nemají praktické využití. My jsme přemýšleli, jak by se daly využít ve spintronice a dospěli jsme nejen k teoretickým předpovědím, ale i k prověření v experimentálních součástkách, které ukazují, že můžeme pomocí antiferomagnetů zapisovat i číst informace. A vidíme, že díky absenci magnetických pólů nabízí řadu výhod oproti v současnosti využívaným feromagnetům. Bity mohou být těsně uspořádané, protože se vzájemně magneticky neovlivňují, a také mohou fungovat daleko rychleji a spotřebovávat méně energie.

Na vašem základním výzkumu je možné vystavět řadu konkrétních aplikací. Měl jste někdy chuť opustit vody základního výzkumu a pustit se do něčeho, co by vedlo přímo k praktickým výsledkům?

I když nejsme odtržení od praktického světa, tak konkrétní aplikace nejsou těžištěm naší práce. Díky studiu nekonvenčních magnetů bez magnetických pólů se vracíme do základních učebnic magnetismu a kvantové fyziky o sto let zpátky a překvapivě nacházíme na této základní úrovni řadu bílých míst. Zmapování fyziky těchto míst může mít mnohem širší význam, než jen v oboru spintroniky.

Jak velká je vaše výzkumná skupina?

Oddělení spintroniky a nanoelektroniky Fyzikálního ústavu AV ČR, které koordinuju, má v současné době okolo 30 lidí na všech pozicích od studentů po seniorní vedoucí laboratoří. Kromě teoretiků máme v oddělení laboratoře pro přípravu magnetických materiálů, které skládáme podle přesného plánu po jednotlivých atomových vrstvách, a výrobu experimentálních nanosoučástek. Úzce spolupracujeme také s laserovou laboratoří na Matematicko-fyzikální fakultě Univerzity Karlovy a v každodenním kontaktu jsme i s kolegy z několika zahraničních spolupracujících laboratoří.

Začátkem roku 2024 bylo vaše jméno hodně skloňováno, protože se vám podařilo experimentálně prokázat novou třídu tak zvaných altermagnetů.

Povedlo se nám první přímé experimentální spektroskopické a mikroskopické pozorování toho, že altermagnetismus skutečně existuje tak, jak jsme to teoreticky předpověděli. Altermagnety mají z fyzikálního pohledu ideální vlastnosti pro spintroniku a otevírají nové možnosti i v řadě jiných oborů. Teoreticky jsme je předpověděli před třemi lety, ale ve fyzice je nakonec klíčové experimentální pozorování.

Jak těžké bylo celý experiment zorganizovat?

Na synchrotron ve Švýcarsku, kde experiment probíhal, se z časových důvodů není snadné dostat. Ale měl jsem štěstí, protože jsem se na konferenci potkal s kolegou, který věděl, jak se experimenty dělají, měl správné vzorky a zrovna na synchrotron odjížděl měřit. Takže pro nás experiment udělal a naměřil spektroskopická data. Měli jsme obrovskou radost, že se experiment hned na první pokus podařil.

Často se o vás v souvislosti s tímto experimentem hovoří jako o kandidátovi na Nobelovu cenu. Přikládáte podobným spekulacím nějakou váhu?

Diskuse o Nobelových cenách podrobně nesleduji, takže ani nevím, co vám k tomu mám říct. Musela byste se zeptat těch, kteří to říkají.

Co nového se od té doby událo?

Altermagnetismu se dále intenzivně věnujeme na teoretické i experimentální úrovni, vychází nám řada nových článků. A ohlas ve světě a množství lidí a skupin, které se do dalšího studia pustili s obrovskou rychlostí, je hodně neobvyklý. 

Když se podíváte zpětně na vaši kariéru, vidíte nějaký velký milník, který vás vědecky ovlivnil? 

Určitě to bylo několik let ve Spojených státech, kam jsem odjel jako postgraduální student mimo jiné i proto, aby se naše čtyřčlenná rodina uživila. V té době jsem k tomu přistupoval spíše pragmaticky, než že bych byl do výzkumu nějak mimořádně zapálený. Až tam jsem zjistil, o čem fyzika vlastně je. Dohromady jsem ve Státech strávil asi šest let pod vedením profesora MacDonalda, který je nejen špičkový fyzik, ale i mimořádně příjemný člověk. Určitě má klíčový podíl na tom, že jsem u fyziky zůstal a jak o fyzice přemýšlím a jak se snažím ve vědeckém prostředí chovat.

Přemýšlel jste někdy, že byste zůstal v zahraničí?

V době našeho pobytu v USA jsme samozřejmě hodně řešili různá pro a proti. Nakonec mě ale nalákala zpět možnost otevřít s kolegy nové laboratoře ve Fyzikálním ústavu AV ČR se zaměřením na spintroniku i nabídka místa ve Velké Británii a fakt, že se obě příležitosti daly spojit dohromady. Vždycky mi bylo bližší evropské nastavení, kde se dají dělat věci ve větších týmech než v Americe, kde je věda mnohem více individuální.

Jak moc vás ovlivnil fakt, že jste z vědecké rodiny? 

Každá osoba je do určité míry determinovaná prostředím, ve kterém vyroste. Ale v mém případě to nebylo tak, že by ve mně rodina záhy probudila nějakou touhu po vědeckém poznání. Tím ale, že vystudovat gymnázium a pak vysokou, se tak nějak považovalo za samozřejmost, mi rodina umožnila, že jsem posléze měl šanci přijít vědě na chuť a nakonec z ní mít profesi, kterou bych neměnil. 

Zažil jste někdy v průběhu vaší kariéry těžké momenty, kdy jste chtěl vědu pověsit na hřebík?

Nevzpomínám si, že bych někdy zažil dlouhotrvající krizi. Ale samozřejmě jsem si prošel chvílemi, kdy to drhlo víc než jindy. Věda je běh na dlouhou trať a několikrát jsem zažil období, kdy jsem byl přesvědčen, že jdeme dobrým směrem, ale rok nebo dva nepřicházely očekávané výsledky. To člověka znervózní. Ale naštěstí tato období netrvala dlouho.

Jste jediným českým výzkumníkem, který získal dva ERC Advanced granty. Jak se vám to podařilo?

První ERC grant jsem získal v roce 2011 v době, kdy se ERC ustalovala a lidé trochu tápali, co je to za organizaci. Hodně mi pomohlo, že jsem rok před tím zasedal v hodnoticím panelu a věděl jsem, jak vypadají úspěšné granty. Také bylo podání dobře načasované, protože jsme v té době měli první nadějné výsledky v antiferomagnetické spintronice, což byl obor, se kterým jsme přišli jako jedni z prvních na světě. Náhoda také byla, že jsem si nevšiml, že existuje kategorie Consolidator a proto jsem požádal o Advanced grant. Myslím, že jsem ale tehdy musel projít hodně těsně. Ostatně mi na tom prvním grantu škrtli několik set tisíc euro.

S tím druhým grantem taky vyšlo dobře načasování, protože jsme měli první slibné výsledky v altermagnetismu ve chvíli, když mi vypršelo embargo, kdy jsem jako člen vědecké rady ERC nemohl vlastní grant podávat. Téma grantu propojuje výzkum fyzikálních základů magnetizmu se studiem jevů, které mohou mít přímý vztah k praktickému využití v mikroelektronice. To není úplně běžné a možná to pomohlo k tomu, že byl grant přijatý. Mimochodem to embargo vypršelo i mému bratrovi, který kvůli mně jako přímý příbuzný taky nemohl sedm let ERC grant podávat. Tak jsme si v jednom roce odnesli z ERC granty hned dva.

 

Autor: Tereza Mašínová

Foto: Jana Plavec, AV ČR

---

Tomáš Jungwirth vystudoval fyziku na Matematicko-fyzikální fakultě Univerzity Karlovy, kde získal také titul PhD.  Jako postgraduální student strávil několik let v USA a dnes působí na Fyzikálním ústavu AV ČR jako vedoucí oddělení spintroniky a nanoelektroniky. Přednáší také na University of Nottingham. Je zakladatelem nového oboru – antiferomagnetické spintroniky,  spoluautorem desítky patentů a řešitelem domácích i mezinárodních grantů. Za svůj výzkum získal řadu ocenění.