Český vědec porušuje vžité představy zděděné po Ohmovi, Hallovi a Néelovi

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“, nebo-li 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.

Související

Martin Pokorný

Vědci zjišťují, jak odradit ryby z Lipna plout do…

Martin Pokorný

Blikající nanokrystaly mohou přeměnit oxid…

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.
 
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.

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.