Bez počítačů si dnes stěží dovedeme představit náš každodenní život. Data, s nimiž pracují jejich operační paměti, a která mohou být obrovsky cenná, jsou však neustále v ohrožení. Čeští experimentální fyzikové v nedávné době přispěli k poznání vlastností materiálu, díky němuž by počítače mohly uchovat svá data i po výpadku proudu.
Výsledky výzkumů skupiny Stanislava Kamby z Fyzikálního ústavu AV ČR, která spolupracovala s řadou dalších vědců např. z německého Jülichu či Yaleovy univerzity, byly nedávno publikovány těch nejprestižnějších vědeckých časopisech Nature a Nature Materials. Kromě lepšího poznání nového a jedinečného typu materiálu, vhodného k přípravě počítačových pamětí naleznou své uplatnění také v oblasti mnohem vzdálenější – při poznávání samotných počátků vesmíru. Nevěříte?
Potíže s pamětí
Jak vlastně naše běžné stolní počítače, ale i jiné spotřebitele se zabudovanou pamětí, jakou jsou fotoaparáty či kamery, nakládají s informacemi? Počítačový specialista okamžitě odpoví, že hlavní rozdíl mezi nejrůznějšími komponenty, využívanými pro skladování dat, spočívá v tom, zda jsou schopny „odolat“ výpadku elektrického proudu. Takové odolné typy paměti jsou takzvaně nevolatilní a patří mezi ně např. různá externí média typu CD, DVD, flash disku či pevných disků. Data uložená na těchto typech pamětí sice nejsou bezprostředně ohrožena výpadkem elektrického proudu, mají však řadu jiných nevýhod. Pevné disky jsou v první řadě stále relativně pomalé. Flash paměti jsou sice „o fous“ rychlejší, mají však zase omezenou kapacitu přepisování tedy životnost. Od důležité složky počítače, operační paměti (RAM) však vyžadujeme především rychlost a schopnost neustálého přepisování.
Jak pracuje RAM?
Jistě si všichni pamatujeme např. na magnetofonové pásky či kazety. Když jste si z nich chtěli přehrát svou oblíbenou skladbu, bylo třeba zmáčknout knoflík se dvěma šipkami a trpělivě vyčkat, než se kýžené místo na pásku dostalo ke čtecí hlavě. Anglická zkratka RAM označuje způsob uložení informace, kde nic takového není třeba. „Paměť s náhodným přístupem“, což je doslovný překlad anglického „random-access memory“ umožňuje přístup ke kterékoliv informaci na ní uložené v libovolném okamžiku. Dnes se k tomuto způsobu ukládání dat užívají v první řadě paměti založené na polovodičích. Tento typ skladování informací z nich však dělá paměti volatilní – při výpadku elektrického proudu všechny informace zmizí jako mávnutím kouzelného proutku. Není proto divu, že fyzikové dnes věnují hodně času výzkumům materiálů, z nichž by bylo možné vyrobit stabilní elektronické paměti, které by zároveň pracovaly s potřebnou rychlostí.
Ideální kombinace na obzoru
Materiály, které by splňovaly jak nároky na stabilitu, tak na rychlost, dnes již existují a částečně se již využívají. Jedním typů takových látek jsou takzvaná feroelektrika, tedy látky, jejichž polarizaci lze ovlivňovat vnějším elektrickým polem. Takové materiály, např. na bázi titanátů (např. BaTiO3 nebo PbZrTiO3), dnes již dokáží uchovat informaci i po vypnutí proudu. Informaci dokáží uchovávat i média magnetická, která se běžně využívají jak např. v pevných discích. Magnetické i feroelektrické RAM paměti se dnes běžně používají v tzv. „chytrých kartách“, například elektronických průkazech či lyžařských pasech. Oba typy materiálů však mají své nevýhody. Přestože jsou velmi rychlé, mají pro požadavky operačních pamětí stále příliš malou kapacitu. Způsob zapisování informací v magnetických pamětích způsobuje jejich přehřívání. Tím zabraňují zvyšování integrace elektronických obvodů a tedy i jejich kapacity. Kdyby se však zdařilo oba typy zkombinovat, tedy připravit nevolatilní paměť z materiálů, které by byly zároveň feroelektrické i magnetické (takzvaně multiferoické), znamenalo by to pro kvality RAM pamětí velký krok kupředu.
Tajemství tenkých vrstviček
Materiálů, které by v sobě dokázaly kombinovat obě vlastnosti, je v přírodě však po čertech málo. A co hůře – kýžené vlastnosti se projevují pouze při teplotách, v nichž by stolní počítač jen stěží někdo používal, při méně než -250 0C. Skupina Stanislava Kamby z Fyzikálního ústavu AV ČR společně s řadou dalších spolupracovníků z českých i zahraničních vědeckých institucí proto navrhla a následně i experimentálně potvrdila, že ze sloučeniny EuTiO3 (tedy sloučeniny europia, titanu a kyslíku) lze vytvořit silnou multiferoickou látku. Jak je to ale možné, když se u ní za běžných podmínek takové vlastnosti nevyskytují? Tajemství jejich „fíglu“ spočívá v tom, že využili mechanického napětí vznikající díky tomu, že nechali vrstvu EuTiO3 narůst na tenkých podložkách z různých typů materiálů (LSAT, SrTiO3, DyScO3). Tenoučké vrstvičky se proto chovají jinak, než by se dalo očekávat od objemového materiálu.
Pohled do budoucnosti
Hlavní předností nového materiálu tedy je, že jeho magnetické vlastnosti lze ovlivňovat zvenčí – prostřednictvím elektrického pole. A právě tato vlastnost z nich činí skvělého kandidáta k přípravě nevolatilních magnetických RAM pamětí, do kterých by šlo zapisovat informace právě pomocí takového vnějšího pole. Nadšení z unikátních vlastností nového materiálu je však přece jen třeba malinko krotit. Tyto efekty totiž stále fungují pouze za velmi nízkých teplot. Tak proč vlastně tolik povyku, když si na výrobu nových typů pamětí budeme muset ještě nějakou dobu počkat? Za velký úspěch lze považovat využití mechanického napětí v tenkých vrstvách na přípravu umělých multiferroických materiálů, které mají kompletně jiné vlastnosti než stejné materiály ve formě krystalů. Čeští vědci jako první experimentálně prokázali, že to jde. V současné době pracují vědci již na jiných tenkovrstvých materiálech, které budou mít požadované vlastnosti i za teplot, v nichž je bude možné využívat třeba i na vašem stole za pokojové teploty.
Nový materiál a dějiny vesmíru
Převaha hmoty nad antihmotou, kterou ve vesmíru pozorujeme a díky níž vesmír vůbec existuje, je možná jen za jednoho předpokladu: musí existovat zásadní rozdíl mezi chováním částic a jejich antičástic. Tomuto jevu říkají fyzikové „porušení CP-symetrie“ (C – charge = náboj; P – parity, souvisí se zrcadlovou symetrií). A jak souvisí tato abstraktní fyzikální tématika s materiálovým výzkumem? Problém spočívá v tom, že porušení symetrie lze vysvětlit nejrůznějšími způsoby. Jeden z nich spadá do rámce nejobvyklejší teorie subatomárního světa, standardního modelu“. Existují však i teorie konkurenční, např. „supersymetrický model“. Teorie předpovídá, že rozhodnutí mezi konkurenčními modely by mohlo padnout prostřednictvím přesného změření tzv. dipólového momentu elektronu (viz rámeček „Tajemný elektrický dipól“). Díky specifickým vlastnostem sloučeniny Eu0.5Ba0.5TiO3 se možnost změřit jeho přesnou hodnotu posunula do oblasti, kterou již moderní magnetometry dokáží zachytit.
Tajemný elektrický dipól
A co že je to vlastně ten elektrický dipól? Není to vlastně nic jiného, než elektrická obdoba magnetického dipólu u magnetu se severním a jižním pólem. Obvykle vzniká, když vedle sebe umístíme kladně a záporně nabité částice. Ty na sebe začnou vzájemně působit a vzniká elektrické pole. Pro jeho změření je důležité, že se elektrický dipól dá natáčet či dokonce překlápět pomocí přiloženého elektrického pole. Ale není to vlastně zvláštní? Již na základní škole jsme se přece učili, že elektron má náboj jen záporný! Pokud však elektron narušuje CP-symetrii, jeho elektrický náboj není prostorově symetricky rozložen, a tudíž může dipólový moment mít. Pokud vůbec dipólový moment elektronu existuje, je velmi malý a nikomu se ho zatím nepodařilo naměřit. Nová možnost se však otevřela díky materiálu, jehož přesné vlastnosti byly určeny i díky příspěvku fyziků ze skupiny Stanislava Kamby.
