Tým vedený českými vědci Tomášem Jungwirthem a Liborem Šmejkalem publikoval přehledový článek o altermagnetismu v Nature. Ten inspiruje budoucí výzkum v širší oblasti nekonvenčních magnetů, které nejsou ani feromagnetické, ale ani antiferomagnetické. Altermagnety inspirovaly i fyziky pod vedením Petra Čermáka z Univerzity Karlovy, kteří zjistili, že pomocí rentgenového záření lze rozlišit pravotočivost a levotočivost magnetických vln v altermagnetech.
V roce 2022 vydal tým z Fyzikálního ústavu AV ČR teoretickou predikci altermagnetické třídy magnetů, kde se v krystalické mřížce střídají nejen směry magnetických momentů na sousedících atomech, ale také se střídá orientace anizotropie lokálního prostředí těchto atomů v krystalu (vysvětlení, co jsou feromagnety, antiferomagnety a altermagnety si můžete přečíst v infoboxu níže, pozn. red.).
Feromagnety, které jsou používané např. v ledničkových magnetech, elektromotorech či větrných turbínách, se staly mimo jiné základem paměťových bitů v integrovaných obvodech a doplnily tak polovodičové bity na mikroprocesorových čipech. Využití feromagnetů však naráží na různá mezení – prostorové, časové i energetické škálovatelnosti. A právě altermagnety se svým vnitřním magnetickým uspořádáním významně posouvají tyto limity škálovatelnosti spintroniky, jak uvádí tisková zpráva Fyzikálního ústavu AV ČR.
Kromě spintroniky vzbudily altermagnety zájem i v dalších oblastech fyziky kondenzovaných látek. Původní teoretický článek byl jen v roce 2025 tisíckrát citován dalšími výzkumníky a pole výzkumu altermagnetů se začalo prudce rozvíjet po experimentálním potvrzení jejich existence, které bylo též vedeno českým týmem a publikováno ve dvou navazujících článcích v Nature v roce 2024.
Nejnovější práce v Nature, která týmu vyšla na začátku roku 2026, se věnuje základům altermagnetismu vycházejícím z teoretických i experimentálních prací za poslední tři roky. Současně článek ukazuje, že altermagnetismus není koncem, ale naopak počátkem vědecké pouti za novými typy magnetismu, jejichž existence zatím nebyla známou, nebo byla dokonce pokládána za nemožnou.
Feromagnet
Materiál, ve kterém jsou magnetické momenty na jednotlivých atomech uspořádány stejným směrem, takže má nenulovou celkovou magnetizaci. Tato magnetizace je nesena elektrony, které zároveň mohou nést elektrický proud, což je základem fungování magnetických bitů na čipech. Nenulová magnetizace feromagnetického uspořádání ovšem přináší i limity škálovatelnosti těchto technologií.
Antiferomagnet
Materiál, ve kterém se směry magnetických momentů na jednotlivých atomech pravidelně střídají, takže celková magnetizace je nulová. Podobně ani elektrický proud nenese magnetizaci, což omezuje praktickou využitelnost antiferomagnetů.
Altermagnet
Materiál, který kombinuje vlastnosti feromagnetů a antiferomagnetů a přidává i vlastnosti nové. Podobně jako v antiferomagnetu se magnetické momenty na atomech pravidelně střídají, ovšem podobně jako ve feromagnetech nese elektrický proud nenulovou magnetizaci. Oproti feromagnetům ale směr magnetizace proudu závisí na směru proudu vzhledem k osám krystalu. Altermagnety jsou zajímavé mimo jiné pro výzkum vysoce škálovatelných paměťových bitů.
Nový typ magnetu zanechává otisk v rentgenovém spektru
Výzkum altermagnetů však tímto nekončí, ale naopak začíná, dokazuje i vědecká skupina z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy pod vedením Petra Čermáka. Ta ukázala, že v altermagnetech lze rozlišit „pravotočivost“ a „levotočivost“ magnetických vln pomocí rentgenového záření. V naměřeném spektru se to projeví jako měřitelný rozdíl v intenzitě signálu, který se s orientací krystalu pravidelně mění, a vytváří tak dobře rozpoznatelný „otisk“ symetrie materiálu.
V časopise Nature Communications vědci publikovali studii, ve které popisují, že magnony, kvanta spinových vln, které popisují kolektivní chvění magnetických momentů v materiálu, mohou vykazovat „pravotočivost/levotočivost“ neboli chiralitu, která zanechává v rezonantním nepružném rentgenovém spektru altermagnetu výrazný měřitelný otisk.
Přečtěte si také
Vědci z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR zveřejnili v časopise Nature první přímé mikroskopické snímky magnetického uspořádání v altermagnetu. Navazují tak na publikaci z počátku roku, kdy v časopise Nature oznámili objev nové větve magnetické rodiny, označované jako altermagnetická. Mikroskopické snímky představují milník, na nějž naváže další experimentální výzkum.
Metoda nepružného rentgenového rozptylu
Tým použil špičkovou měřicí techniku zvanou rezonanční nepružný rentgenový rozptyl (RIXS – Resonant Inelastic X-ray Scattering). Při měření se střídalo pravotočivě a levotočivě kruhově polarizované rentgenové světlo a zároveň se vzorek postupně otáčel. Ukázalo se, že krystal reaguje na různé polarizace nepatrně odlišně. Tomuto rozdílu v intenzitě rozptýleného záření se říká kruhový dichroismus.
„Zachytili jsme jednoznačný, měřitelný projev chirálních magnonů, takže jejich chování lze pomocí poměrně jednoduchého měření využít jako nástroj ke zkoumání altermagnetických vlastností,“ říká Petr Čermák z Univerzity Karlovy, který studii vedl. V oblasti magnonového signálu se tento rozdíl při otáčení krystalu mění přesně v souladu s jeho trojčetnou symetrií a výsledný vzor v datech tak představuje charakteristický „otisk“ chování magnonů v altermagnetu.
Pozadí výzkumu, který mohl proběhnout při pokojové teplotě
Výzkumný projekt Petra Čermáka Magnetoelastic Materials beyond Born-Oppenheimer Approximation (MaMBA) byl podpořen prestižním grantem GA ČR JUNIOR STAR. Vědci se do studia altermagnetů pustili ihned poté, co byla v roce 2022 teoreticky předpovězena jejich existence, ale brzy se dostali do slepé uličky. Vývoj projektu rozhodně nebyl přímočarý.
„Jako výzkumník specializující se na neutronový rozptyl jsem plánoval zkoumat rozštěpení magnonové energie pomocí neutronů, protože jsou mimořádně citlivé na magnetické vlastnosti,“ vysvětluje Nikolaos Biniskos, první autor studie. Tato cesta se však ukázala jako obtížná a první rozštěpení bylo nakonec detekováno v materiálu MnTe jiným vědeckým týmem z Japonska (Physical Review Letters 133, 156702 (2024)).
Výzkumná skupina Petra Čermáka následně zkusila pracovat se sloučeninou CrSb, která se ukázala být také mimořádně slibným kandidátem: je kovová, patří mezi první identifikované altermagnety a udržuje své magnetické uspořádání i při pokojové teplotě. To ale zároveň znamená, že magnonové stavy v CrSb leží ve velmi vysokých energiích. „V této energetické oblasti jsou neutronová měření v praxi nedostupná, takže požadované jevy pomocí neutronů prostě neuvidíme,“ upozorňuje Biniskos. Aby on a jeho kolegové tyto experimentální výzvy překonali, připravili návrh na provedení rentgenových měření na synchrotronu Diamond Light Source poblíž Oxfordu.
Experiment probíhal při pokojové teplotě, bez potřeby chlazení či magnetického pole, na přístroji s označením I21, který nabízí vysoké energetické i prostorové rozlišení. K úspěchu navíc přispěla i vlastnost zkoumaného krystalu: magnetické domény v CrSb jsou dostatečně velké, takže se rentgenový paprsek mohl mezi nimi snadno přesouvat. Důležitou roli sehrál doktorand MFF UK David Sviták, který strávil hodiny pečlivým skenováním vzorku, aby identifikoval sousedící domény s opačnou chiralitou, u nichž se dichroický signál opravdu převracel.
Objev chirality je aplikovatelný i na další altermagnety
Vědecký tým ukázal, že síla kruhového dichroismu magnonů se mění spolu se směrem Néelova vektoru, což je směr, který popisuje magnetické uspořádání uvnitř materiálu. Detekovaný vzor signálu přesně odpovídá tomu, co teorie předpovídá. „Jde o praktickou metodu, jak zjistit, v jakém magnetickém stavu se systém nachází, i v případech, kdy jednotlivé magnonové signály nelze v energetickém spektru samostatně rozlišit,“ dodává Biniskos.
Teoretickou oporu výzkumu poskytl Manuel dos Santos Dias, spoluautor studie, který provedl analýzu v laboratoři STFC Daresbury. Jeho modely potvrdily všechna naměřená data. Zatímco u MnTe bylo možné přímo rozlišit energetické rozštěpení magnonů, kruhově polarizované RIXS dokáže rozeznat i signály s podobnou energií, protože se pro pravotočivé a levotočivé světlo chovají opačně. Na světě je pouze několik přístrojů, které mohou provádět tento typ měření, v Evropě je tato možnost v současnosti dostupná jen na již zmíněném přístroji I21.
Autoři výzkumu na závěr dodávají, že tento přístup lze snadno přenést i na jiné altermagnety a může pomoci zmapovat, kdy a jak se v jejich spektrech magnonů chiralita projevuje. „Jde o jednoduchý postup, který mohou převzít i další laboratoře. Symetrií určený magnonový signál doplňuje dosavadní elektronové studie a zároveň otevírá cestu k systematickému zkoumání chirálních magnonů v celé řadě dalších materiálů,“ uzavírá Petr Čermák.
Nová třída altermagnetů tak otevírá všem výzkumníkům z celého světa velké neprozkoumané pole vlastností, které mohou mít význam pro základní i aplikovaný výzkum a v důsledku i pro přístroje, které denně používáme.
Zdroj: Článek je redakčně doplněnými a upravenými tiskovými zprávami od Univerzity Karlovy a Fyzikálního ústavu AV ČR
- Autor článku: ano
- Zdroj: VědaVýzkum.cz
