Harddisk. Kredit: CC0 Public Domain.

Když chcete vyrobit menší magnety, tak to není tak těžké. Stačí prostě rozpůlit magnet a hned máte dva poloviční magnety. Rozpůlíte je ještě jednou a dostanete čtyři čtvrtinové magnety. Tento postup má ale háček. Čím menší magnety jsou, obvykle jsou tím méně stabilní. Jejich magnetická pole mají stále větší tendenci převracet svou polaritu. Teď ale vědci úspěšně vyvinuli a také vyzkoušeli stabilní magnety z jediného atomu.

Fabian Natterer. Kredit: EPFL.

Průlomovou studii, kterou uveřejnil časopis Nature, má na svědomí tým, který vedl fyzik Fabian Natterer ze Spolkové vysoké technické školy ve švýcarském Lausanne (EPFL). S kolegy postavili jednoduchý, ale funkční atomární harddisk s přepisovatelnou pamětí, do něhož zabudovali jednoatomové magnety. Zařízení sice obsahuje jenom dva takové jednoatomové magnety, ale kapacitu atomárního harddisku bude podle Natterera možné mnohonásobně zvýšit. Podle fyzika Sandera Otteho z nizozemské Delft University of Technology je to skutečně průlom. Konečně jsme teď doložili, že i jednotlivý atom může být magneticky stabilní.

Ve vnitřnostech běžného harddisku je disk, rozdělený na magnetizované oblasti. Každá z nich funguje jako maličký magnet, jehož pole svou orientací vyjadřuje hodnotu jednoho bitu, tedy „0“ nebo „1“. Čím menší tyto magnetizované oblasti jsou, tím více se jich na disk vejde. Musejí být ale stabilní, aby se samovolně nepřepínaly mezi „0“ a „1“. Jeden bit současných komerčně dostupných harddisků zahrnuje kolem 1 milionů atomů. V experimentech vědci v roce 2012 dosáhli velikosti 1 bitu odpovídající 12 atomům, teď to dotáhli na jeden jediný atom. Natterer a jeho kolegové použili atomy holmia (Ho), prvku ze skupiny lanthanoidů, který se vzhledem k příznivým vlastnostem využívá například při výrobě silných permanentních magnetů. Holmium umístili na substrát z oxidu hořečnatého, za ultrachladné teploty nižší než 5 kelvinů.

Vzorek pevného holmia. Kredit: Paginazero / Wikimedia Commons.

Holmium je obzvláště vhodné pro takový výzkum. Jeho atomy totiž obsahují nepárové elektrony, které mohou vytvořit silné magnetické pole, a když jsou odstíněny od vlivu okolí, tak obíhají blízko atomového jádra. Díky tomu mohou atomy holmia vytvořit nejen silné, ale stabilní magnetické pole. Má to ale i stinnou stránku. Holmium je díky tomu dost netečné. Mnozí vědci pochybovali, že je vůbec možné spolehlivě určit konkrétní stav jeho atomů.

École polytechnique fédérale de Lausanne.

Nattererův tým zapsal data do atomů holmia s pomocí pulzů elektrického proudu z magnetizovaného hrotu řádkovacího tunelového mikroskopu, které mohou změnit orientaci magnetického pole jednoatomového magnetu. Následné testy ukázaly, že tyto magnety jsou dost stabilní. V experimentech se ani jednou nestalo, že by se jednoatomový magnet sám přepóloval. Vědci zároveň potvrdili, že data uložená v takovém materiálu je možné přečíst. K tomu použili atom železa coby magnetický senzor.

To, že lze k ukládání dat použít jednoatomové magnety, by časem mohlo naprosto radikálně zvýšit hustotu ukládání dat. Natterer s kolegy už na tom pracují a vyvíjejí materiál s velkým počtem jednoatomových magnetů. V tuto chvíli existují i konkurenční technologie ukládání dat ve výjimečně hustotě, magnetický systém má ale některé výhody. Mohl by například být kompatibilní se spintronikou, vyvíjenou technologií, která pracuje s informací v podobě spinu elektronů. V dohledné budoucnosti o jednoatomových magnetech ještě určitě uslyšíme.

Literatura
Nature News 8. 3. 2017, Nature 543: 226-228.