Magnetismus zná lidstvo už tisíce let. Už starověcí Číňané a Řekové si hráli s magnetovcem. Posledních zhruba sto let jsme žili v přesvědčení, že v této kapitole fyziky je prostě hotovo a uklizeno. Znali jsme jen dva základní druhy magnetismu a mysleli jsme si, že nic dalšího už v přírodě neexistuje.

Jenže pak přišel český fyzik Tomáš Jungwirth z Akademie věd ČR se svým týmem (ve kterém hraje klíčovou roli i další Čech, Libor Šmejkal). Ukázali světu, že jsme celou dobu přehlíželi naprosto fundamentální, třetí větev magnetismu. A víte, co je na tom to nejkrásnější? Na tento objev nepřišli tak, že by v laboratoři složitě míchali vzácné chemikálie. Přišli na to čistě pomocí rovnic a teoretické fyziky. Zjistili, že v dosavadní teorii je "díra" a že by měl existovat materiál, který se chová úplně jinak, než ty dosud známé.

Je to další fantastický důkaz toho, o čem jsem psal už dříve – že Češi hrají ve světové vědě skutečnou extraligu. Objev takzvaného altermagnetismu je totiž tak zásadní, že ho prestižní časopis Science zařadil mezi nejdůležitější milníky moderní vědy.

(prof. Tomáš Jungwirth)

Objev v šuplíku: Tajemství obyčejných krystalů

Možná si říkáte, z jakého exotického a drahého materiálu se takový nový magnet vyrábí. Odpověď je překvapující: z ničeho nového.

Když Jungwirthův tým svou teorii spočítal, zjistil, že tyto materiály už vlastně dávno máme v laboratořích. Typickým příkladem je tellurid manganatý. Vědci tyto krystaly znali už od šedesátých let minulého století, jenže je považovali za naprosto obyčejné a nudné. Až v roce 2024 je vzali do švýcarského urychlovače částic, posvítili na ně speciálním rentgenem a potvrdili to, co jim vyšlo na papíře. Tyto krystaly v sobě celá desetiletí skrývaly revoluční vlastnosti. Dnes už víme o stovkách běžných materiálů, které jsou ve skutečnosti altermagnety.

Elektronika vs. Spinotronika: Když přestaneme běhat s kyblíky

Abychom pochopili, k čemu je to celé dobré, musíme se podívat na to, jak funguje počítač nebo mobil, na kterém právě čtete tento článek. Současná elektronika funguje na přesouvání elektrického náboje.

Představte si to jako běhání s plnými kyblíky vody tam a zpět. Stojí to obrovské množství energie a vzniká u toho spousta odpadního tepla. Právě proto se vám přehřívá notebook a funí u něj větráček. Navíc jsme narazili na fyzikální strop – tranzistory už prostě nejde donekonečna zmenšovat.

A tady nastupuje obor budoucnosti: spinotronika. Jak jsem vysvětloval v našem průvodci kvantovým světem, elektron není jen kulička s nábojem. Má i kvantovou vlastnost zvanou spin. Zjednodušeně řečeno se chová jako miniaturní střelka kompasu, která může ukazovat nahoru nebo dolů (což nám skvěle tvoří jedničky a nuly).

Zatímco klasická elektronika se dře s přenášením plných kyblíků (elektronů), spinotronika nechá elektron sedět na místě a jen mu "otočí střelku". Je to bleskově rychlé, nespotřebuje to téměř žádnou energii a nevytváří to zbytečné teplo.

(Elektronika vs. Spinotronika)

Fyzikální dálnice bez hluku: Proč spinotronika potřebovala právě altermagnety

Spinotronika zní jako pohádka, ale dlouhé roky měla jeden zásadní zádrhel. Inženýři totiž neměli k dispozici ten správný materiál. Měli na výběr ze dvou starých známých magnetů, z nichž ani jeden nebyl pro stavbu jemných počítačových čipů ideální:

• Klasický magnet (feromagnet): Ten, jaký máme zespodu na figurkách na lednici. Pracuje se s ním skvěle, informace se z něj snadno čtou, je to jako přehledná a rychlá dálnice. Bohužel ale své magnetické pole vyzařuje silně do okolí. Kdybyste chtěli dát takové paměťové buňky těsně vedle sebe do malého čipu, vzájemně by si svá data smazaly. Je to dálnice, která dělá do okolí strašný hluk.
• Tichý magnet (antiferomagnet): Ten své pole nevyzařuje ven, je navenek naprosto neutrální. Je to dokonale "tichá dálnice", můžete jich postavit miliony těsně vedle sebe. Jenže uvnitř má atomy poskládané tak střídavě a složitě, že je extrémně těžké do něj data zapsat a přečíst je. Auta na této tiché dálnici stojí v zácpě a informace tečou pomalu.

A v tom spočívá genialita altermagnetismu! Vědci našli materiál, který kombinuje to nejlepší z obou světů. Navenek absolutně nevyzařuje žádné rušivé magnetické pole (je naprosto tichý jako antiferomagnet), ale uvnitř jeho krystalické mřížky se spiny elektronů chovají tak uspořádaně, že se s nimi dá pracovat stejně lehce a rychle jako u běžného magnetu. Je to neviditelná, dokonale tichá dálnice bez rychlostních limitů.

(Fyzikální dálnice bez hluku)

Počítače budoucnosti: Blesková paměť a čipy podle lidského mozku

Díky objevu altermagnetů dostala spinotronika konečně materiál, se kterým může stavět reálné a funkční součástky. Co to přinese nám, běžným uživatelům?

V první řadě paměti, které mohou být až tisíckrát rychlejší než ty dnešní, protože jejich zápis nebrzdí elektrický odpor. Navíc, protože spoléhají na fyzické otočení "magnetické střelky", pamatují si svůj stav, i když je odpojíte od elektřiny. Ztráta neuloženého dokumentu při vybití baterie se tak stane hudbou minulosti.

Ale ten největší revoluční skok nás čeká v samotné architektuře počítačů. Ty dnešní trpí tím, že mají fyzicky oddělenou paměť a procesor, takže data musí neustále cestovat po drátcích tam a zpět. Altermagnety a spinotronika nám umožňují vytvořit čipy, které dokážou informace zpracovávat a ukládat na jednom jediném místě. Přesně takhle mimochodem fungují naše neurony. Lidstvo tak poprvé získává do ruky nástroj, jak postavit fyzický hardware, který se bude chovat a myslet stejně úsporně jako lidský mozek.

(Počítače budoucnosti: Blesková paměť a čipy podle lidského mozku)

Vize a spekulace: Jak by mohla vypadat budoucnost se spinotronikou?

Když už teď víme, že máme díky českým vědcům v ruce ten správný materiál, pojďme popustit uzdu fantazie a podívat se, kam by nás tato technologie mohla zavést.

Konec načítacích obrazovek (Instant-On počítače)

Znáte to nekonečné čekání, než se počítač zapne a načte systém z pevného disku do operační paměti? S altermagnety tahle brzda zmizí. Paměť a procesor splynou v jedno. Představte si to jako klasickou papírovou knihu – když dnes vypnete počítač, je to jako byste knihu zaklapli a vyhodili záložku. Po startu musíte zdlouhavě hledat, kde jste skončili. Spinotronický čip si ale tu pomyslnou záložku pamatuje fyzicky a trvale. Počítač vypnete, za rok ho zapnete a ve zlomku sekundy – bez jediného načítání – máte před sebou přesně ten samý rozepsaný e-mail.

Umělá inteligence, která nezruinuje planetu

Dnes se hodně mluví o AI, ale málokdo zmiňuje její odvrácenou tvář: energetickou nenasytnost. Velká datová centra, která trénují modely, spotřebovávají tolik elektřiny jako menší státy a potřebují k tomu řeky chladicí vody. Spinotronické čipy, které napodobují lidský mozek, by mohly tuto spotřebu srazit na naprostý zlomek. Umělá inteligence by díky tomu mohla běžet lokálně přímo ve vašem telefonu, aniž by musela složitě a nákladně odesílat data kamsi na vzdálené servery.

Nezničitelné mozky vesmírných sond

Ve vesmíru číhá všudypřítomná radiace. Když nabitá kosmická částice prolétne dnešním běžným procesorem, často mu "vybije kyblík s elektrony" a způsobí chybu (což je mimochodem důvod, proč se kolem Jupiteru a jeho brutálního magnetického pole létá s takovými obtížemi). Spinové stavy jsou vůči takové radiaci mnohem odolnější. Altermagnety by nám tak mohly dát do rukou extrémně odolné a úsporné počítače, které jednoho dne poletí s našimi sondami k cizím hvězdám.

Když si to všechno poskládám dohromady, musím se usmívat. Je totiž neuvěřitelně fascinující, že na začátku této sci-fi budoucnosti stála skupina českých teoretických fyziků, kteří se prostě jen rozhodli nevěřit tomu, že je fyzika už dávno vyřešená.