Spustit počítač během zlomku sekundy? Jednou ano – i díky Čechům

Praha – Rychlejší, menší, s nižší spotřebou a méně poruchové. Tak by mohly v budoucnu vypadat počítače, tablety nebo chytré telefony – mimo jiné i díky českým vědcům, kteří přišli s novým objevem ve způsobu zápisu a čtení dat. Nahrazení elektromagnetického záznamu laserovým by například umožnilo, aby počítače naběhly za milisekundu, a znamenalo by revoluci ve světě informačních technologií. Případné komerční využití nového objevu je nicméně záležitostí několika let a dalšího výzkumu, připustili v pořadu ČT24 Hyde Park Civilizace profesor Tomáš Jungwirth z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR a Nottingham University a docent Petr Němec z Matematicko-fyzikální fakulty UK.

Současná elektronika se sice dostala až na úroveň atomu, miniaturizace součástek ale začíná narážet na své hranice. Do hry tak začínají vstupovat fyzikální zákony, které platí jen v miniaturních světech. Důležitou roli v příští generaci elektroniky může sehrát jedna ze základních vlastností elektronu zvaná spin. Jde o čistě kvantově mechanickou vlastnost. „Když chcete zapsat nebo přepsat informaci uloženou pomocí náboje, musíte elektron přemístit – buď přitáhnout, nebo odpudit. Při přepsání informace zapsané pomocí spinu jej stačí převrátit,“ přibližuje Vít Novák, vedoucí Oddělení spintroniky a nanoelektroniky Fyzikálního ústavu AV ČR.

Čeští vědci se snaží skloubit vlastnosti dvou zatím obtížně slučitelných jevů – magnetismu, který se využívá například v záznamových médiích, a polovodivosti, která je základem tranzistorů v procesorech. Tím by dosáhli revoluce v elektronice – mnohem menší a rychlejší komponenty, navíc bez pohyblivých součástí, což by vyžadovalo méně energie i času a navíc by součásti měly i menší poruchovost. Konečným cílem vědců je pak skloubit v jedné mikrosoučástce všechny základní funkce počítače. Feromagnetický polovodič by se měl chovat zároveň jako polovodič a zároveň jako magnetický materiál, vysvětluje Jungwirth. Takových materiálů se ale v přírodě nevyskytuje mnoho a je potřeba je uměle vytvořit v laboratoři. Masově se v mikroelektronice nepoužívají především proto, že mají nízkou kritickou teplotu přechodu do feromagnetického stavu. Podle Jungwirtha by proto velice dobře fungovaly například na Měsíci nebo možná i na severním pólu, nikoliv ale už třeba v klimatizované místnosti.

Spin jako střelka kompasu

V oblasti kvantové fyziky existuje řada vlastností, které nemají obdobu v makrosvětě. Elektron kromě náboje nese i elementární magnetický moment, takzvaný spin, tedy jakousi vnitřní rotaci částice. Jednou z výhod spinu elektronů je, že se mohou vyskytovat jen ve dvou stavech – spinem nahoru nebo spinem dolů. Podle Jungwirtha si to lze představit jako miniaturní střelku kompasu, jež se může otáčet různým směrem. Pomocí jejího natočení lze ovládat pohyb elektronu v součástce a spin zároveň i detekovat.


Spinová elektronika začala hrát významnou roli už v polovině 90. let, kdy se díky změně fyzikálního principu čtecí hlavy a použití spintronických součástek změnila kapacita pevných disku z megabajtů na terabajty, což bylo před využitím tohoto jevu nemyslitelné.

Byť byly výsledky práce týmu vědců publikovány v předních vědeckých časopisech Nature Physics, Nature Communications a Nature Photonics, jejich komerční využití je ještě záležitostí několika let. Němec s Jungwirthem navíc připomněli, že jejich objev není patentován, neboť jde o základní fyzikální výzkum. Patentovat lze jen realizaci součástky, kde se jev uplatní, jev samotný ale nikoliv.

Na závěr se oba vědci svěřili, že na televizi moc nekoukají, sci-fi filmy je příliš nebaví a odreagovávají se raději činnostmi, které s vědou nesouvisejí. Docent Němec ale přiznal, že kultovní seriál Teorie velkého třesku (Big Bang Theory) považuje za vtipně napsaný a je podle něj vidět, že jej dělal někdo, kdo věděl, co to znamená fyzika. Na Teorii velkého třesku se ze začátku také docela rád podíval i profesor Jungwirth, nicméně si nemyslí, že většina jeho kolegů vypadá jako prototypy zobrazené v seriálu.