Magnetizmus sa neprejavuje len pri bežných magnetoch. V antiferomagnetoch sa magnetické momenty susedných atómov navzájom rušia. Vedci teraz skúmajú aj altermagnety, ktoré majú nulovú výslednú magnetizáciu, ale zaujímavé spinové vlastnosti. Ich magnetické usporiadanie je možné meniť elektrickým prúdom. Na ich výskume sa podieľajú aj českí fyzici Tomáš Jungwirth a Libor Šmejkal. Zistite, čo sú antiferomagnety a altermagnety.
Magnetizmus má mnoho podôb
Feromagnetizmus určite poznáte z bežných permanentných magnetov. Magnetické momenty atómov sa v materiáli usporiadajú prevažne rovnakým smerom, takže sa ich účinky sčítajú a materiál tak získa výslednú magnetizáciu. Podrobnejšie sme sa feromagnetickým materiálom venovali napríklad v článku Ktoré materiály priťahujú magnety?
Feromagnetizmus však nie je jediným spôsobom, akým môže materiál reagovať na magnetické pole. Fyzika rozlišuje napríklad diamagnetizmus, paramagnetizmus, feromagnetizmus, ferimagnetizmus. Existujú aj ďalšie špecifické formy magnetického usporiadania, napríklad antiferomagnetizmus.
Čo sú antiferomagnety a novoobjavené altermagnety? Obe skupiny majú nulovú výslednú magnetizáciu, ich vnútorné usporiadanie sa však líši a pri altermagnetoch vedie k veľmi zaujímavým vlastnostiam elektrónov.
Čo je antiferomagnetizmus?
Predstavte si rad atómov, ktorých magnetické momenty znázorníme šípkami:
↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓
Magnetické momenty susedných atómov smerujú opačnými smermi. Pri rovnakom zastúpení oboch smerov sa ich výsledný magnetický moment navzájom vyruší.
Antiferomagnet teda môže mať vo vnútri materiálu usporiadané magnetické momenty bez toho, aby sa navonok správal ako klasický permanentný magnet.
Medzi známe antiferomagnetické materiály patrí napríklad oxid manganičitý (MnO), oxid nikelnatý (NiO) alebo chróm. Antiferomagnetické usporiadanie pritom nemusí mať vždy podobu jednoduchého striedania dvoch opačných smerov. V kryštálovej mriežke môže byť oveľa zložitejšie.
Antiferomagnety majú vďaka nulovej výslednej magnetizácii niekoľko zaujímavých vlastností. Využívajú sa napríklad v magnetických snímačoch, čítacích hlavách a ďalších súčiastkach, kde stabilizujú susednú feromagnetickú vrstvu.
Antiferomagnetické vrstvy sa používajú aj na stabilizáciu magnetických vrstiev v niektorých typoch magnetických pamätí a ďalších elektronických súčiastok.
Antiferomagnety sú zaujímavé aj pre spintroniku. Nevytvárajú totiž výrazné vonkajšie magnetické pole, ktoré by mohlo ovplyvňovať okolité súčiastky. Ich magnetické usporiadanie však ovplyvňuje správanie elektrónov.
Spintronika je odbor elektroniky, ktorý okrem elektrického náboja elektrónov využíva aj ich spin. Ten môže ovplyvňovať prenos a ukladanie informácií. Spintronické súčiastky tak môžu pracovať s magnetickými stavmi materiálu a nájsť využitie napríklad v pamätiach, snímačoch alebo budúcich elektronických zariadeniach.
Čo sú altermagnety
Altermagnety majú s antiferomagnetmi jednu zásadnú spoločnú vlastnosť: ich výsledná magnetizácia je nulová. Napriek tomu sa od nich v niektorých dôležitých vlastnostiach líšia. Opačne orientované magnetické momenty sú v altermagnete usporiadané podľa symetrie kryštálovej mriežky, čo ovplyvňuje správanie elektrónov v materiáli.
Výsledkom je spinové rozštiepenie elektrónových stavov. Elektróny s opačným spinom môžu mať rôzne energie a ich vlastnosti sa menia podľa smeru v kryštáli. Pritom materiál ako celok stále nemá výslednú magnetizáciu.
Altermagnety preto nemajú vlastné výsledné magnetické pole ako bežné feromagnety. Ich magnetické usporiadanie však môže ovplyvňovať elektrický prúd.
Pri niektorých altermagnetických materiáloch môže elektrický prúd zmeniť magnetické usporiadanie a jeho smer, takže tento stav možno elektricky ovládať bez klasického prepínania pomocou vonkajšieho magnetického poľa.
Práve kombinácia nulovej výslednej magnetizácie, spinových vlastností a možnosti elektrického ovládania odlišuje altermagnety od klasických antiferomagnetov a robí z nich zaujímavý materiál pre ďalší výskum.
Kedy vedci objavili altermagnety?
Altermagnetizmus sa ako samostatná forma magnetického usporiadania začal výraznejšie presadzovať od roku 2022. Vtedy českí a zahraniční fyzici opísali altermagnetizmus ako samostatnú triedu magnetických materiálov, ktorá dopĺňa feromagnety a antiferomagnety.
Na teoretickom opise sa významne podieľali Tomáš Jungwirth, Libor Šmejkal a Jairo Sinova. Ich práce ukázali, že nulová výsledná magnetizácia nemusí znamenať absenciu spinového rozštiepenia elektrónových stavov.
Nasledovali experimenty, ktoré tento jav overovali v konkrétnych materiáloch. Výskum sa postupne rozšíril a altermagnetizmus sa v priebehu niekoľkých rokov stal samostatnou témou fyziky pevných látok.
Česká stopa pri novom type magnetizmu
Česká veda má v tomto výskume významné miesto. Tomáš Jungwirth pôsobí vo Fyzikálnom ústave Akadémie vied ČR a dlhodobo sa venuje magnetizmu a spintronike.
Libor Šmejkal sa podieľal na teoretickom opise altermagnetizmu a jeho ďalšom rozvoji. České pracoviská tak stoja pri významnej časti výskumu tejto novej kategórie magnetického usporiadania.
V roku 2026 vyšla v časopise Nature rozsiahla práca Symmetry, microscopy and spectroscopy signatures of altermagnetism, ktorá zhŕňa teoretické aj experimentálne poznatky získané počas výskumu altermagnetizmu a zaoberá sa aj jeho možným využitím. Na jej príprave sa podieľalo osem vedcov z pracovísk v Česku, Nemecku, USA, Číne a Japonsku, medzi nimi aj českí fyzici Tomáš Jungwirth a Libor Šmejkal.
Kde vedci hľadajú altermagnety?
Výskum vedci zameriavajú na viacero materiálov. Skúmajú rôzne zlúčeniny, v ktorých môže vhodné magnetické usporiadanie a symetria kryštálovej mriežky vytvoriť altermagnetické vlastnosti.
Medzi významné patrí napríklad telurid mangánu (MnTe). Práve na ňom sa podarilo experimentálne študovať spinové rozštiepenie spojené s altermagnetickým usporiadaním.
Skúmanie ďalších materiálov môže priniesť iné vlastnosti a možnosti využitia. Výskum preto pokračuje nielen hľadaním nových altermagnetov, ale aj skúmaním toho, ako ich vlastnosti ovplyvniť a využiť v elektronike.
Môžu altermagnety zmeniť elektroniku?
Najväčšiu pozornosť dnes priťahuje možné využitie altermagnetov v spintronike. Kombinácia nulovej výslednej magnetizácie a výrazných spinových vlastností je zaujímavá napríklad pre pamäte, logické súčiastky, snímače alebo vysokofrekvenčné aplikácie. Niektoré vlastnosti altermagnetov navyše umožňujú veľmi rýchlu spinovú dynamiku, čo môže byť dôležité pre budúcu elektroniku pracujúcu na veľmi vysokých frekvenciách.
Zatiaľ však nejde o bežne používanú technológiu. Väčšina spomínaných aplikácií zostáva vo fáze základného alebo aplikovaného výskumu. Uvidíme, aké ďalšie objavy vedci prinesú.
Preskúmajte aj ďalšie magnetické otázniky.
