Spintronika a kvantová mechanika: Výzkumník PSI získává významné financování

Giacomo Sala je experimentální fyzik v Centru pro neutronové a myonové výzkumy PSI. Pro svůj projekt Q-GEOMSPIN získává finanční podporu od EU: začínající grant od Evropské rady pro výzkum ERC. © Paul Scherrer Institut PSI/Markus Fischer

– PSI-physik Giacomo Sala obdrží přibližně 2,2 milionu CHF od Evropské výzkumné rady (ERC).
– V projektu Q-GEOMSPIN spojuje dvě výzkumné oblasti, které dosud byly zkoumány převážně odděleně.
– Z tohoto základního výzkumu by mohly v budoucnu vzniknout energeticky účinnější datové úložiště a procesory.

PSI-physik Giacomo Sala získal jedno z prestižních financování Evropské výzkumné rady ERC – tzv. Starting Grant. ERC podporuje Salaův projekt Q-GEOMSPIN částkou 2,3 milionu eur (přibližně 2,2 milionu CHF) na následujících pět let. Jelikož je Švýcarsko od konce roku 2025 opět plně spojeno s výzkumnými programy Evropské unie, obdrží Sala toto financování přímo od ERC.

Neobvyklé na Salaově přístupu je spojení dvou výzkumných oblastí – spintroniky a kvantové geometrie – do nového výzkumného pole. Z poznatků z toho by mohly dlouhodobě vzniknout nové možnosti pro spintronické datové úložiště. Navíc by mohly pomoci získat malé množství energie a vyvinout nové vlastnosti materiálů.

Nápad na Q-GEOMSPIN vznikl během dvou etap v dosavadní vědecké kariéře Sala. Během svého doktorátu na ETH Zürich zkoumal spintroniku a magnetismus. O něco později, jako postdoktorand na univerzitě v Ženevě, se věnoval kvantové geometrii. Spojení obou perspektiv ho přivedlo k otázce, zda kvantová geometrie dosud nepřehlédla spintronické efekty. „Pokud vím, dosud nikdo experimentálně nespojil tato dvě pole,“ říká experimentální fyzik z centra pro výzkum neutronů a myonů PSI.

Nezmapovaný kout na spintronické mapě

Spintronika je vědecká oblast zavedená před třiceti lety. Její význam byl zdůrazněn Nobelovou cenou za fyziku, kterou jí byla udělena v roce 2007 za její výzkum. Spintronika využívá spin – vlastní rotaci elektronů – k ukládání informací.

V posledních letech se však ukázalo, že spintronika má takzvaně ještě jeden bílý flek na své mapě: práce v teoretické fyzice naznačují, že se některé spintronické jevy dají předpovědět, pochopit a řídit pomocí mladé kvantové geometrie. Konkrétně jde o podobor kvantové geometrie: kvantovou metriku.

Pro ilustraci myšlenky kvantové metriky používá Sala analogii: gravitaci. Gravitační síla způsobuje, že Země obíhá kolem Slunce. Podle Alberta Einsteina je správné vysvětlení ale zakřivení prostoru způsobené hmotností Slunce. „Podobně je to i u elektronů, když se pohybují pevnou látkou,“ říká Sala. Kvantová metrika zakřivuje impulsní prostor. Elektrony to „pocítí“ a budou podle toho odkloněny.

Giacomo Sala díky získanému financování může najmout dva doktorandy a jednu osobu na postdoktorandské úrovni. Společně s tímto malým týmem bude v rámci Q-GEOMSPIN zkoumat například topologické materiály. Jde o pevné látky, které jsou uvnitř izolanty, na povrchu však vedou elektrický proud. Na programu jsou také oxidické sloučeniny a dvourozměrné tzv. Van-der-Waalsovy materiály, například grafen.

Od elektroniky k kvantové geometrii

Elektronika využívá pouze náboj elektronů: proud buď teče, nebo ne – z toho vznikají nuly a jedničky v digitálním zpracování dat. Využívá se tedy pohyb náboje.

Spintronika přidává druhou vlastnost: spin, kvantově mechanický vlastní rotační impuls. Zjednodušeně řečeno: orientace elektronů nahoru nebo dolů. Tuto vlastnost lze využít k přenosu informací.

Kvantová geometrie popisuje geometrickou strukturu vlnových funkcí elektronů v pevných látkách. Část z toho, kvantová metrika, působí jako gravitační pole v materiálu a odklání elektrony. Novinkou u kvantové metriky je, že tato geometrie sama může být řídící veličinou a může být spojena s spinem.

Synchrotronové záření a nanotechnologie: PSI nabízí potřebnou infrastrukturu

Sala a jeho tým budou vytvářet a měřit struktury o velikosti jen několika mikrometrů. Ty budou ochlazeny na těsně pod absolutní nulu (minus 273,15 stupňů Celsia). PSI pro tento účel s prostředky ERC vybuduje speciální kryostat: chladicí zařízení, které dokáže generovat silná magnetická pole. Do vzorku bude veden elektrický proud a měřena odchylka elektronů. Výzkumníci se zaměří na nelineární efekty, tedy když malé změny napětí nebo magnetického pole vedou k velkým změnám v měření. V těchto odchylkách očekávají stopy po kvantové geometrii.

To, že Sala přišel na PSI, souvisí s jeho strategickým zaměřením na výzkum a s jedinečnou infrastrukturou. V novém „Centru pro kvantové látky a materiály“ na PSI, zkráceně QMMC, se spojují práce různých výzkumných skupin PSI v oblasti kvantových látek a materiálů. Q-GEOMSPIN je vynikající doplněk tohoto nového uzlu kvantového výzkumu.

PSI nabízí také všechny zařízení, která Sala a jeho tým budou potřebovat k výrobě a charakterizaci materiálů, výrobě mikrosoučástek a provádění měření při nízkých teplotách. Tým například využije synchrotronové záření SLS a nový čistý prostor PSI „PICO“, který vede výzkumná skupina nanotechnologií a je ideální pro výrobu malých součástek. Také švýcarský neutronový zdroj SINQ by mohl nabídnout zajímavé možnosti pro jejich výzkum.

Q-GEOMSPIN by mohl konečně přinést spintronice velký průlom. S výjimkou objevů velkého magnetoresistivu, který byl objeven v 80. letech a brzy poté zdvojnásobil datovou hustotu pevných disků, jsou komerční aplikace zatím vzácné. Na seznamu přání jsou nyní výkonnější spintronické paměti (MRAM) nebo procesory inspirované mozkem. Diskutují se také exotické nápady, například sběr energie z nevyužívaných Wi-Fi signálů. Giacomo Sala zůstává realistický: „Q-GEOMSPIN je čistý základní výzkum. Ale ten je důležitý pro vývoj aplikací.“