Magnetismus se neprojevuje jen u běžných magnetů. V antiferomagnetech se magnetické momenty sousedních atomů navzájem vyrušuje. Vědci nyní zkoumají také altermagnety, které mají nulovou výslednou magnetizaci, ale zajímavé spinové vlastnosti, dá se u nich měnit magnetické uspořádání elektrickým proudem. Na jejich výzkumu se podílejí i čeští fyzici Tomáš Jungwirth a Libor Šmejkal. Zjistěte, co jsou antiferomagnety a altermagnety.
Magnetismus má mnoho podob
Feromagnetismus jistě znáte z běžných permanentních magnetů. Magnetické momenty atomů se v materiálu uspořádají převážně stejným směrem, takže se jejich účinky sčítají a materiál tak získá výslednou magnetizaci. Podrobněji jsme se feromagnetickým materiálům věnovali například v článku Které materiály přitahují magnety?
Feromagnetismus ale není jediným způsobem, jakým může materiál reagovat na magnetické pole. Fyzika rozlišuje například diamagnetismus, paramagnetismus, feromagnetismus, ferimagnetismus. Existují také další specifické formy magnetického uspořádání, například antiferomagnetismus.
Co jsou antiferomagnety a nově objevené altermagnety? Obě skupiny mají nulovou výslednou magnetizaci, jejich vnitřní uspořádání se však liší a u altermagnetů vede k velmi zajímavým vlastnostem elektronů.
Co je antiferomagnetismus?
Představte si řadu atomů, jejichž magnetické momenty znázorníme šipkami:
↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓
Magnetické momenty sousedních atomů míří opačnými směry. Při stejném zastoupení obou směrů se jejich výsledný magnetický moment vyruší.
Antiferomagnet tedy může mít uvnitř materiálu uspořádané magnetické momenty, aniž by se navenek choval jako klasický permanentní magnet.
Mezi známé antiferomagnetické materiály patří například oxid manganičitý (MnO), oxid nikelnatý (NiO) nebo chrom. Antiferomagnetické uspořádání přitom nemusí mít vždy podobu jednoduchého střídání dvou opačných směrů. V krystalové mřížce může být mnohem složitější.
Antiferomagnety mají díky nulové výsledné magnetizaci několik zajímavých vlastností. Využívají se například v magnetických senzorech, čtecích hlavách a dalších součástkách, kde stabilizují sousední feromagnetickou vrstvu.
Antiferomagnetické vrstvy jsou používané také ke stabilizaci magnetických vrstev v některých typech magnetických pamětí a dalších elektronických součástek.
Antiferomagnety jsou zajímavé i pro spintroniku. Nevytvářejí totiž výrazné vnější magnetické pole, které by mohlo ovlivňovat okolní součástky. Jejich magnetické uspořádání však ovlivňuje chování elektronů.
Spintronika je obor elektroniky, který kromě elektrického náboje elektronů využívá také jejich spin. Ten může ovlivňovat přenos a ukládání informací. Spintronické součástky tak mohou pracovat s magnetickými stavy materiálu a najít využití například v pamětech, senzorech nebo budoucích elektronických zařízeních.
Co jsou altermagnety
Altermagnety mají s antiferomagnety jednu zásadní společnou vlastnost: jejich výsledná magnetizace je nulová. Přesto se od nich v některých důležitých vlastnostech liší. Opačně orientované magnetické momenty jsou v altermagnetu uspořádané podle symetrie krystalové mřížky, což ovlivňuje chování elektronů v materiálu.
Výsledkem je spinové rozštěpení elektronových stavů. Elektrony s opačným spinem mohou mít různé energie a jejich vlastnosti se mění podle směru v krystalu. Přitom materiál jako celek stále nemá výslednou magnetizaci.
Altermagnety proto nemají vlastní výsledné magnetické pole jako běžné feromagnety. Jejich magnetické uspořádání však může ovlivňovat elektrický proud.
U některých altermagnetických materiálů může elektrický proud změnit magnetické uspořádání a jeho směr, takže lze tento stav elektricky ovládat bez klasického přepínání pomocí vnějšího magnetického pole.
Právě kombinace nulové výsledné magnetizace, spinových vlastností a možnosti elektrického ovládání odlišuje altermagnety od klasických antiferomagnetů a dělá z nich zajímavý materiál pro další výzkum.
Kdy vědci altermagnety objevili?
Altermagnetismus se jako samostatná forma magnetického uspořádání začal výrazněji prosazovat od roku 2022. Tehdy čeští a zahraniční fyzici popsali altermagnetismus jako samostatnou třídu magnetických materiálů, která doplňuje feromagnety a antiferomagnety.
Na teoretickém popisu se významně podíleli Tomáš Jungwirth, Libor Šmejkal a Jairo Sinova. Jejich práce ukázaly, že nulová výsledná magnetizace nemusí znamenat absenci spinového rozštěpení elektronových stavů.
Následovaly experimenty, které tento jev ověřovaly v konkrétních materiálech. Výzkum se postupně rozšířil a altermagnetismus se během několika let stal samostatným tématem fyziky pevných látek.
Česká stopa u nového typu magnetismu
Česká věda má v tomto výzkumu významné místo. Tomáš Jungwirth působí ve Fyzikálním ústavu Akademie věd ČR a dlouhodobě se věnuje magnetismu a spintronice.
Libor Šmejkal se podílel na teoretickém popisu altermagnetismu a jeho dalšího rozvoje. Česká pracoviště tak stojí u významné části výzkumu této nové kategorie magnetického uspořádání.
V roce 2026 vyšla v časopise Nature rozsáhlá práce Symmetry, microscopy and spectroscopy signatures of altermagnetism, která shrnuje teoretické i experimentální poznatky získané během výzkumu altermagnetismu a zabývá se také jeho možným využitím. Na její přípravě se podílelo osm vědců z pracovišť v Česku, Německu, USA, Číně a Japonsku, mezi nimi také čeští fyzici Tomáš Jungwirth a Libor Šmejkal.
Kde vědci altermagnety hledají?
Výzkum vědci zaměřují na více materiálů. Zkoumají různé sloučeniny, ve kterých může vhodné magnetické uspořádání a symetrie krystalové mřížky vytvořit altermagnetické vlastnosti.
Mezi významné patří například mangan-tellurid (MnTe). Právě na něm se podařilo experimentálně studovat spinové rozštěpení spojené s altermagnetickým uspořádáním.
Zkoumání dalších materiálů může přinést jiné vlastnosti a možnosti využití. Výzkum proto pokračuje nejen hledáním nových altermagnetů, ale také zkoumáním toho, jak jejich vlastnosti ovlivnit a využít v elektronice.
Mohou altermagnety změnit elektroniku?
Největší pozornost dnes přitahuje možné využití altermagnetů ve spintronice. Kombinace nulové výsledné magnetizace a výrazných spinových vlastností je zajímavá například pro paměti, logické součástky, senzory nebo vysokofrekvenční aplikace. Některé vlastnosti altermagnetů navíc umožňují velmi rychlou spinovou dynamiku, což může být důležité pro budoucí elektroniku pracující na velmi vysokých frekvencích.
Zatím však nejde o běžně používanou technologii. Většina zmíněnýh aplikací zůstává ve fázi základního nebo aplikovaného výzkumu. Uvidíme, jaké další objevy vědci přinesou.
Prozkoumejte i další magnetické otazníky.
