Představte si dokonale naladěný hudební nástroj, který při hraní nevydává žádný zvuk. Něco podobného se právě podařilo týmu dánských vědců s novým typem magnetu: zachovává si celou svou vnitřní magnetickou strukturu, je uspořádaný a stabilní, ale prakticky žádné magnetické pole nevysílá. Tento objev, publikovaný v časopise Nature Chemistry, by mohl změnit způsob navrhování elektronických zařízení.
Proč byl magnetismus vždycky hlučný problém
Abychom pochopili význam tohoto průlomového objevu, stojí za to si připomenout, co to vlastně magnet je. Jeho podstatou je obrovské množství elektronů seřazených stejným směrem. Každý elektron funguje jako malý kompas, tedy magnetický dipól, a když jsou miliony z nich koordinovaně orientovány, materiál vytváří znatelné magnetické pole – takové, které umožňuje magnetu přitahovat kovovou sponku nebo vychýlit ručičku kompasu.
V běžných materiálech, jako je železo, se tyto magnetické momenty navzájem zesilují a vytvářejí silné pole. Toto pole však nerozlišuje mezi tím, co chceme ovlivnit a co ne. Ruší elektronické signály, zkresluje měření a komplikuje miniaturizaci součástek. Odborníci ho popisují jako druh magnetického šumu, který se více než sto let zdál být neoddělitelný od samotného magnetismu.
Magnety, které se nechovají jako magnety
Tento šum je pro nové technologie stále větší překážkou. Spintronika, obor, který využívá kvantové vlastnosti spinu elektronů, tj. jejich vlastního úhlového momentu hybnosti, a nikoliv jejich konvenčního elektrického náboje, vyžaduje ke svému fungování magnetické materiály. Konkrétním příkladem je paměť MRAM, typ paměti, kde informace není uložena jako elektrická energie, ale jako stabilní magnetická orientace, která k udržení nepotřebuje energii.
Problém nastává, když musí být tyto magnetické komponenty umístěny v těsné blízkosti. Jejich pole se překrývají, vytvářejí interference a způsobují chyby. Inženýři tak stojí před zdánlivě neřešitelným rozporem: potřebují magnetismus, ale bez důsledků doprovodného magnetického pole.
Řešení: magnet, který ruší vlastní ozvěny.
Tým vedený Kasperem Steenem Pedersenem z Dánské technické univerzity přišel s elegantní odpovědí. Jejich nový materiál patří do mimořádně vzácné kategorie známé jako kompenzované ferimagnety. V těchto materiálech existuje magnetismus v plné síle a stabilitě, ale magnetické momenty elektronů, ony malé šipky, které určují magnetickou orientaci, směřují proti sobě a vzájemně se ruší.
Výsledný efekt připomíná systémy pro potlačení hluku, které používáme ve sluchátkách, jenže zde se ruší magnetické pole. Materiál si zachovává pevný vnitřní magnetický řád, ale nezanechává téměř žádný magnetický otisk ve svém okolí.
Nyní máme materiál s velmi uspořádanou magnetickou strukturou, ale bez magnetického pole, které obvykle způsobuje problémy v elektronice,
říká Pedersen ve svém prohlášení. A dodává: „Když je magnetismus integrován do molekulárního materiálu, můžeme pomocí chemie vyladit jak magnetické, tak elektronické vlastnosti.“ Podle výzkumníka se tím otevírá zcela nová úroveň kontroly.
Za hranice klasických antiferomagnetů
Je třeba poznamenat, že koncept neviditelného magnetismu nevznikl na základě této studie. Antiferomagnety již podobné chování vykazují: mají vnitřní magnetický řád, aniž by vytvářely detekovatelné vnější pole. Odborníci však upozorňují, že dánský materiál tato omezení v zásadních ohledech překonává.
Na rozdíl od mnoha tradičních antiferomagnetů funguje tato nová sloučenina při pokojové teplotě a je založena na kovově-organické molekulární síti, tj. struktuře, v níž se atomy kovů kontrolovaně spojují s organickými molekulami. To umožňuje navrhnout a naprogramovat magnetické vlastnosti, jako by se jednalo o chemický problém, což výrazně usnadňuje jejich vyladění pro praktické aplikace.
Změna paradigmatu: od nejsilnějšího k nejtiššímu magnetu
To, co Pedersenův tým navrhuje, obrací trend, který dominoval výzkumu po celá desetiletí. Historicky bylo vždy cílem dosáhnout stále silnějších magnetů s viditelnějšími účinky. Tento průlom směřuje opačným směrem: k magnetům, které plní svou funkci, aniž by dávaly najevo svou přítomnost. Pokud se magnetická pole již vzájemně neruší, lze komponenty umístit mnohem blíže k sobě, což vede k vyšší hustotě dat a vyšší účinnosti.