V článku publikovaném v časopise Science Advances1 přináší Libor Šmejkal s kolegy z Fyzikálního ústavu Akademie věd České republiky zprávu o svém objevu Hallova jevu v antiferomagnetech. Jedná se o další mimořádnou práci výjimečného českého talentu, který se jako čerstvý absolvent doktorského studia již těší pověsti předního světového experta ve svém oboru.
Libor Šmejkal vyvrací vžité vědecké představy
Objev Libora Šmejkala porušuje vžité vědecké představy. Pro svou práci si zvolil krystal se vzájemně se kompenzujícími opačnými atomovými magnety, které by skutečně samy o sobě negenerovaly Hallův proud ve shodě s Néelem. Krystal dále obsahuje nemagnetické atomy, které by samotné také umožňovaly jen obyčejný Ohmův proud.
Studie Libora Šmejkala a jeho kolegů ovšem překvapivě ukazuje, že zvláštní kombinace těchto antiferomagnetických a nemagnetických atomů v krystalu zapříčiní vznik Hallova jevu. Je to výmluvný příklad starověkého: „celek je větší než součet jeho částí“, neboli v moderní terminologii synergie. Je pozoruhodné, že krystaly s vhodnou konfigurací antiferomagnetických a nemagnetických atomů nejsou pouhým teoretickým konstruktem ani kuriozitou v přírodě. Naopak sám Louis Néel vytvořil své klíčové práce na antiferomagnetech s rutilovou strukturou, které mají požadovaný typ krystalové struktury a jsou velmi běžné.
Obrázek Horní řádek: Nalevo – Hallův jev ve vnějším magnetickém poli působícím na krystal obsahující nemagnetické atomy. Uprostřed – Hallův jev ve feromagnetu, modrý symbol znázorňuje rušivé magnetické pole feromagnetu. Napravo – antiferomagnetický Hallův
Vědci z Fyzikálního ústavu spoluurčují vývoj spintroniky
Objev má zvláštní místo v rychle se rozvíjejícím novém oboru antiferomagnetické magnetoelektroniky (spintroniky), k jehož zformování přispěli vědci z Fyzikálního ústavu průkopnickými pracemi. Ty zkoumají a využívají zejména necitlivost antiferomagnetů na rušivá magnetická pole, extrémně rychlou odezvu na elektrické a optické podněty nebo multidoménové stavy atraktivní pro součástky modelující funkce neuronových sítí.
Antiferomagnetický Hallův jev pak přidává perspektivu nanoelektroniky s nízkými ztrátami energie. To je obzvláště významné v kontextu současného znepokojivého trendu, kdy se informační technologie stávají nejvýznamnějším spotřebitelem elektrické energie. Práce má také potenciál zvrátit rostoucí poptávku v konvenční magnetoelektronice po vzácných těžkých prvcích a místo toho nasměrovat výzkum a aplikace k běžně dostupným materiálům.
Citační index dokládá mimořádné nadání
Objevy vyvracející všeobecně přijímaná fakta vyžaduji mimořádný talent a dovednosti. Ačkoliv Libor Šmejkal obhájil svou disertační práci jen před několika měsíci, přednesl již více než desítku zvaných přednášek na mezinárodních konferencích a publikoval více než desítku článků v prestižních impaktovaných časopisech. Například pět článků bylo zveřejněno v časopisech rodiny Nature a Science a dva ve Physical Review Letters. Zároveň dva články jsou označeny jako „Highly Cited“ na Web of Science a celkový počet citací podle Google Scholar přesahuje 500.
Ihned po obhajobě disertační práce přijal Libor Šmejkal nabídku na místo nezávislého vedoucího týmu na Univerzitě Johannese Gutenberga v německé Mohuči. Dobrou zprávou pro českou vědu je, že kromě budování mezinárodní výzkumné sítě mu současná pozice umožňuje udržovat svou předchozí úzkou spolupráci s Fyzikálním ústavem.
Hallův jev jeden ze základních pilířů magnetoelektroniky
Pro pochopení přelomové myšlenky objevu potřebujeme fyzikální základy zděděné po Ohmovi, Hallovi a Néelovi. Elektrický proud v běžných vodičích jako je měď je orientovaný podél směru aplikovaného napětí v souladu s Ohmovým zákonem. V přiloženém magnetickém poli se ovšem proud odklání a získává tak příčnou tzv. Hallovskou složku. Díky tomu, že znaménko příčného Hallova proudu závisí na znaménku náboje nositelů proudu, mohly být objeveny n-typové a p-typové polovodiče se záporně nabitými elektrony a kladnými dírami, které jsou základem moderní mikroelektroniky.
V následné práci pak Hall pozoroval, že příčný proud lze také vygenerovat pomocí vnitřní magnetizace ferromagnetického vodiče jako je například železo. A obdobně jako u magnetického pole převrácení severního a jižního pólu vnitřní magnetizace obrácí znaménko Hallova proudu. Díky tomu se stal Hallův jev také jedním ze základních pilířů magnetoelektroniky s aplikacemi zahrnujícími senzory nebo paměťové technologie.
Feromagnetismus ovšem není jediný druh magnetismu v přírodě. Louis Néel objevil druhou rodinu tzv. antiferomagnetů – krystalů, ve kterých se severní a jižní póly magnetických atomů periodicky střídají mezi sousedními atomy. Výzkum Louise Néela nám na antiferomagnety zanechal smíšený pohled. Jejich kladnou stránkou je, že jsou v přírodě mnohem hojnější než feromagnety. Bohužel se ale Néelovi a fyzikům po něm zdálo nevyhnutelné, že opačně orientované atomové magnety ruší efekty pozorovatelné u feromagnetů včetně Hallova proudu. Řídily by se tak jen běžným Ohmovým zákonem, čímž by byly nerozeznatelné od běžných nemagnetických vodičů a nepoužitelné pro magnetoelektroniku.
Kontakt:
Libor Šmejkal, Oddělení spintroniky a nanoelektroniky Fyzikální ústav AV ČR
e-mail: smejkall [at] fzu [dot] cz
Tomáš Jungwirth Oddělení spintroniky a nanoelektroniky Fyzikální ústav AV ČR
e-mail: jungw [at] fzu [dot] cz
1 Libor Šmejkal, Rafael González-Hernández, Tomáš Jungwirth, Jairo Sinova, Crystal time-reversal symmetry breaking and spontaneous Hall effect in collinear antiferromagnets, Science Advances 6 (2020) eaaz8809