Co když magnetů existuje víc druhů, než jsme si mysleli?
Když se řekne magnet, většina lidí si představí ten malý magnet na lednici, na kterém drží nákupní seznam. Jenže vědci zjistili, že magnetismus je mnohem složitější a zajímavější, než byste čekali.
Dlouhou dobu se fyzici spokojili se dvěma základními typy. Feromagnety známe všichni — třeba ty na lednici. Jejich elektrony (říkejme jim magnetické částečky) jsou natočené stejným směrem, a proto mají viditelný severní a jižní pól. Když přiložíte dva k sobě, hezky se přitáhnou.
Pak existují antiferomagnety. To jsou takoví tichý bojovníci. Jejich sousední částečky jsou natočené opačně, takže se jejich magnetické účinky navzájem vyruší. Zvenčí vypadají jako úplně obyčejný materiál — nepřitáhnou ani kreditku. Ale uvnitř? Jako kdyby vedle sebe bojovaly dva stejně silné týmy a pořád dokola remizovaly.
Oba typy mají své využití, ale taky své problémy. Feromagnety se snadno ovládají, hodí se pro ukládání dat, ale jsou pomalé a spotřebovávají hodně energie. Antiferomagnety umí přepínat stavy bleskově rychle, což je skvělé pro počítače, jenže jejich magnetické vlastnosti jsou ukryté, takže se s nimi špatně pracuje.
Co když ale existuje třetí možnost, která bere to nejlepší z obou?
Altermagnety vstupují na scénu
Tady to začíná být opravdu zajímavé.
V roce 2019 zkoumali fyzici z Univerzity Johannese Gutenberga v Mohuči materiál zvaný oxid rutheničitý. Podle jejich výpočtů by se měl chovat jako antiferomagnet — žádná celková magnetizace, částečky by se měly vyrušit. Když ho ale pustili elektrický proud, najednou se začal chovat spíš jako feromagnet.
Tohle chování nešlo zařadit ani do jedné existující kategorie. Tak udělali to, co každý správný vědec: vymysleli kategorii novou.
Nazvali ji altermagnetismus.
A tady přichází ta skvělá část. Altermagnety mají tu „skrytou" vlastnost antiferomagnetů — jejich celkové magnetické účinky se vyruší. Ale způsob, jakým jsou jejich atomy uspořádané uvnitř, způsobuje, že elektrony se chovají, jako kdyby byly ve feromagnetu. Je to jako kdybyste měli auto, které má spotřebu bicyklu a rychlost Formule 1.
„Tyto materiály by mohly zcela změnit způsob, jakým přenášíme informace," říká Jamir Marino, fyzik z University at Buffalo, který altermagnety studuje. „Mohly by nám dát rychlost antiferomagnetů a zároveň zachovat snadněji ovladatelné elektronické vlastnosti feromagnetů."
Pomyslete na rychlejší počítače, efektivnější ukládání dat, třeba i nové typy senzorů. A to vše od materiálu, který nepřichytíte na lednici.
Problém: najít je je těžké
Tady je háček. Potvrdit, že je materiál skutečně altermagnet, je složitá záležitost.
Teoretické studie naznačují, že by mohlo existovat přes 200 materiálů, které se dají za altermagnety považovat — víc než dvojnásobek známých feromagnetických materiálů. Pro fyziky je to obrovské hřiště k prozkoumání. Problém je, že identifikace těchto kandidátů vyžaduje drahé a složité experimenty, které někdy mohou vzorek i poškodit.
Je to jako zkoumat motýla tak, že ho chytíte do sítě, která trochu hoří. Možná se něco dozvíte, ale jistě existují lepší způsoby.
Diamant v hrubém rouše
Tady příběh dostává nečekaný obrat, který mě upřímně baví.
Marino a jeho tým navrhli novou metodu detekce, která využívá — hádáte správně — malou vadu uvnitř diamantu. Ne, to není metafora. Skutečně chtějí využít imperfekce.
Uvnitř některých diamantů existují mikroskopické defekty, kde atom dusíku sedí vedle chybějícího atomu uhlíku. Tyto drobné vady zní jako problémy, ale ve skutečnosti jsou neuvěřitelně užitečné: jsou extrémně citlivé na magnetickou aktivitu v okolí.
Navrhovaný experiment by fungoval takto: vezmete podezřelý altermagnet a položíte ho poblíž diamantu s jedním z těchto defektů. Pak otáčíte magnetickým spinem defektu různými směry a měříte, jak rychle se vrátí do normálu.
Pokud se relaxace děje rychleji v určitých směrech než v jiných, tato asymetrie by mohla odhalit složité uspořádání spinů, které dělá altermagnety výjimečnými.
„Krásné na této technice je, že je mnohem méně invazivní než běžné metody," vysvětluje Marino. „Ne chcete, aby vaše měření silně narušilo studovaný materiál."
Proč by vás to mělo zajímat?
Vím, co si možná říkáte: „Hezký příběh, ale proč by mi to mělo být jedno?"
Tady je důvod: blížíme se k limitům současné elektroniky. Počítače jsou sice rychlejší, ale taky žerou víc energie a víc se zahřívají. Jestli chceme další generaci ultra-efektivních zařízení — kvantové počítače, pokročilý hardware pro umělou inteligenci, výpočetní systémy napodobující lidský mozek — možná budeme potřebovat materiály, které přepínají stavy rychleji a spotřebovávají míň energie než cokoli dnešního.
Altermagnety by mohly být součástí tohoto řešení.
A ta diamantová detekční technika? To je nástroj, který nám může pomoct je najít rychleji. Jako kdybyste vědcům dali lepší detektor kovů na pláž plnou zakopaného pokladu — jen tím pokladem jsou materiály, které možná pohánějí gadgety zítřka.
„Altermagnety by mohly zcela změnit způsob, jakým přenášíme informace," řekl mi Marino. „Abychom potvrdili, že je tato elegantní teorie pravdivá, potřebujeme experimenty, které identifikují altermagnety a ověří, že se chovají tak, jak vědci předpovídají."
Výzkum je teprve na začátku, ale upřímně mě baví přemýšlet o tom, kam to může vést. Někdy ty nejzásadnější technologie vznikají z objevů, které jsme málem přehlédli — chování, které se nehodí do stávajících škatulek, materiály, které nikdo nepovažoval za zajímavé, drobné vady v diamantech, které se nakonec ukážou jako dokonalé senzory.
Další velký magnet možná čeká na povrchu, schovaný před zraky, které hledají chytrého vědce s diamantem a novým nápadem.