Nová generace magnetických materiálů může překonat limity křemíkových technologií v IT

Nová generace magnetických materiálů, tzv. antiferomagnety a altermagnety, by do budoucna mohly nahradit technologie založené na křemíku a umožnit až tisícinásobně rychlejší zápis dat při výrazně nižší spotřebě energie. Tyto materiály mají unikátní vlastnosti, díky kterým mohou fungovat i v extrémně malých strukturách a mohly by tak být odpovědí na požadavky moderní doby a neustále narůstající potřebu miniaturizace součástek. Tyto zásadní výzvy řeší projekt TERAFIT, na kterém spolupracuje CEITEC VUT, kde se vědci pod vedením Vojtěcha Uhlíře zabývají rozvojem metod pro zobrazování této nové generace materiálů.

V roce 2024 byl v České republice zahájen čtyřletý výzkumný projekt TERAFIT, jehož cílem je vývoj nové generace informačních technologií. Projekt se zaměřuje na pokročilé magnetické materiály, které by v budoucnu mohly nahradit současné křemíkové čipy. Projekt TERAFIT je financován MŠMT v rámci operačního programu Jan Amos Komenský (JAK). Konsorcium tří institucí vede profesor Tomáš Jungwirth z Fyzikálního ústavu (FZÚ) AV ČR, spolupracují také odborníci z Univerzity Karlovy (UK) a vědecké týmy na CEITEC VUT.

Současné IT technologie spotřebovávají obrovské množství energie a narážejí na své fyzikální limity. Kromě standardního provozu, jako je doprava, osvětlení či vytápění budov, navíc očekáváme jejich další dramatický rozvoj. „Naším cílem je vyvinout nový koncept výpočetních systémů, který umožní rychlejší, úspornější a lépe škálovatelné technologie pro éru umělé inteligence,“ vysvětluje Vojtěch Uhlíř.

Materiály budoucnosti: antiferomagnety a altermagnety

Současné IT technologie jsou založené na feromagnetických materiálech. Ty se při působení vnějšího magnetického pole silně zmagnetizují a mohou si tuto magnetizaci zachovat i po odstranění pole. Uvnitř těchto materiálů se atomy totiž chovají jako drobné „magnetky“, které jsou většinou natočené stejným směrem. Díky tomu celý materiál působí jako silný magnet.

Tyto materiály ale narážejí na limity – při snaze zmenšovat součástky a zrychlovat zápis dat se jejich vlastnosti začínají zhoršovat.

Naproti tomu antiferomagnety a nově objevené altermagnety, na jejichž zavedení do celosvětového výzkumu mají klíčový podíl právě vědci z týmu FZÚ AV ČR, nabízejí nové možnosti díky svým unikátním vlastnostem a schopnosti fungovat i v extrémně malých strukturách.

U antiferomagnetů jsou jejich vnitřní „magnetky“ uspořádány střídavě – jeden atom je natočený jedním směrem a sousední zase opačně. Tyto magnetické účinky se navzájem vyruší, takže materiál se navenek tváří skoro jako nemagnetický. Navíc takové uspořádání prakticky nereaguje na vnější magnetické pole. To z něj dělá skvělého kandidáta pro nové typy velmi malých a rychlých součástek.

Ještě zajímavější mohou být altermagnety. Ty jsou výjimečné tím, že spojují vlastnosti obou předchozích typů: navenek nejsou silně magnetické jako běžné magnety, ale přesto dokážou ovlivňovat elektrony v součástkách způsobem, který je užitečný pro ukládání a zpracování informací. Díky této jedinečné kombinaci mohou umožnit vznik nových typů pamětí a čipů, které budou rychlejší, úspornější a lépe využitelné pro budoucí technologie, například v oblasti umělé inteligence.

CEITEC / CEITEC VUT: Nová generace magnetických materiálů může překonat limity křemíkových technologií v IT: Vojtěch Uhlíř a jeho tým zkoumají nové třídy magnetických materiálů.

Špičková infrastruktura na CEITEC VUT

Týmy na CEITEC VUT vyvíjejí zobrazovací a analytické metody, které umožňují studovat magnetické materiály až na úroveň jednotlivých atomů. Klíčovou roli v projektu hraje transmisní elektronový mikroskop TITAN, který byl nedávno významně modernizován.

Díky novému korektoru čoček a spektrometru nejnovější generace mohou vědci sledovat strukturu materiálů s mimořádným rozlišením a rychlostí. Právě nový spektrometr je modernizací, která byla financována z projektu TERAFIT. „Spektroskopie nám umožňuje vytvářet detailní chemické mapy zkoumaných vzorků. Pomocí těchto přístupů můžeme například porovnávat odlišné magnetické chování různých prvků ve stejném materiálu,“ objasňuje Uhlíř.

Mikroskop TITAN je součástí výzkumné infrastruktury CEITEC Nano a větší výzkumné infrastruktury CzechNanoLab, v jejímž čele stojí jako koordinátor Michal Urbánek z CEITEC VUT. „Díky včlenění do velké výzkumné infrastruktury CzechNanoLab je tento špičkový mikroskop přístupný nejen vědcům z CEITEC, ale i dalších pracovišť v ČR a v zahraničí,“ Urbánek uzavírá.

CEITEC / CEITEC VUT: Nová generace magnetických materiálů může překonat limity křemíkových technologií: Vojtěch Uhlíř a jeho tým zkoumají nové třídy magnetických materiálů.