Materiały, które mogą zrewolucjonizować komputery, ale też przeformułować rozumienie fizyki magnesów

Zeszłej jesieni, w wietrzne popołudnie w Cambridge w stanie Massachusetts, w rozbrzmiewającym charakterystycznym szumem pomp chłodniczych laboratorium, Jiaruo Li, doktorantka na Massachusetts Institute of Technology, pracowała nad nowym urządzeniem do zapisywania danych cyfrowych. Jej celem było wykorzystanie niezwykłego rodzaju magnetyzmu, odkrytego w tym samym laboratorium rok wcześniej, po to, aby urządzenie to było szybsze i bardziej energooszczędne niż konkurencyjne. Jej praca była bardzo ważna ze względu na obecny boom centrów danych wywołany przez rozwój sztucznej inteligencji oraz wynikający z niego gwałtowny wzrost zapotrzebowania na energię.

W tej chwili Li skupiała się na znalezieniu swego rodzaju igły w stogu siana: ledwo widocznego okruszka bromku niklu o odpowiednich właściwościach. Aby to osiągnąć, w sterowanym komputerowo piecu umieszczonym w laboratorium MIT wyhodowała kryształ wielkości dziesięciocentówki, przez 10 dni wypalając w wysokiej temperaturze szklaną rurkę zawierającą proszek bromku niklu. Następnie, w poszukiwaniu próbki o atomowej grubości, przykleiła do swojego dzieła specjalną taśmę, oderwała ją i przeniosła płatki z taśmy na błyszczącą płytkę krzemową. Trzymając płytkę pod światło, obserwowała morze tysięcy maleńkich złotych kryształków na fioletowym, lustrzanym tle. „Tylko jeden lub dwa kryształki będą wystarczająco cienkie” – stwierdziła.

Bromek niklu jest związkiem pokrewnym dla jodku niklu. Wiosną 2025 roku trafił na pierwsze strony gazet, ponieważ występuje w nim tzw. magnetyzm p-falowy (p-wave magnetism) – zjawisko przewidziane przez teoretyków na początku 2024 roku. Magnesy p-falowe wykazują właściwości, których nie mają tradycyjne magnesy, przez co nadają szczególne cechy przepływającym przez nie prądom elektrycznym. Przełom ten to tylko jedna z najnowszych rewelacji związanych z odkryciem nowej klasy magnesów zwanych altermagnesami. Materiały te zaskoczyły wielu naukowców, wykazując kombinację cech, które mogą nie tylko zrewolucjonizować komputery, ale także przeformułować nasze rozumienie fizyki magnesów. Równie niezwykłe jest to, że nowe magnesy wcale nie są nowe. Wiele z nich to powszechnie badane związki o nieznanych dotąd supermocach, a ich możliwości można wyjaśnić za pomocą prostej geometrii.

Magnesy, z którymi mamy do czynienia na co dzień – z biegunami północnym i południowym, przytrzymujące rysunki dzieci na drzwiach lodówki – nazywane są ferromagnetykami i są szeroko stosowane już od czasów prehistorycznych, ale ich istotę udało się w pełni zrozumieć dopiero w momencie pojawienia się współczesnej teorii kwantowej w latach 20. XX wieku. Jak twierdzi fizyk z University of Oxford Stephen Blundell, „powstanie mechaniki kwantowej mogło być związane właśnie z badaniem magnetyzmu”. Jeszcze przed opracowaniem współczesnej teorii kwantowej fizycy Niels Bohr i Hendrika Johanna van Leeuwen niezależnie od siebie udowodnili, że magnetyzm jest niezgodny z fizyką klasyczną, czyli niekwantową.

Źródłem magnetyzmu jest kwantowo-mechaniczna cecha elektronów zwana spinem. Spin sprawia, że elektron zachowuje się jak mała, wirująca naładowana kulka, dzięki czemu powstaje pole magnetyczne podobne do pola wytwarzanego przez maleńki magnes sztabkowy. (Fakt, że elektrony są – o ile wiadomo – nieskończenie małe, i w związku z tym wcale nie przypominają kulek, pokazuje, że spin jest cechą czysto kwantową). Kiedy w ciele stałym o strukturze krystalicznej spiny dużej liczby elektronów ustawiają się w taki sposób, że ich maleńkie pola magnetyczne łączą się ze sobą i wywołują efekt makroskopowy, voilà – powstaje ferromagnetyk. Najbardziej charakterystyczną jego cechą jest namagnesowanie, czyli makroskopowe pole magnetyczne, składające się z linii sił, które można dostrzec w postaci samoorganizacji opiłków żelaza rozsypanych wokół magnesu.

Ferromagnetyki odgrywają ogromną rolę w technice; Blundell nazywa je „silnikiem współczesnego świata”. Dla przykładu, w elektrowniach wirujące magnesy przekształcają energię mechaniczną w elektryczną. I choć większość komputerów osobistych korzysta obecnie z niemagnetycznej pamięci półprzewodnikowej, to zdecydowana większość informacji gromadzonych w światowych centrach danych ma postać bitów zakodowanych w niewielkich namagnesowanych obszarach ferromagnetycznych dysków twardych. „Wszystkie dane są przechowywane w chmurze, a chmura to same magnesy” – mówi Jairo Sinova, profesor fizyki na Johannes Gutenberg-Universität Mainz w Niemczech i kluczowa postać w odkryciu altermagnesów.

Istotą magnetyzmu jest zbiorowa organizacja spinów elektronów w materiale, a ferromagnetyzm nie jest jedyną możliwością. W latach 30. francuski fizyk Louis Néel przewidział, że tzw. oddziaływania wymienne mogą sprawić, iż spiny w sąsiednich atomach będą skierowane nie w tych samych, ale w przeciwnych kierunkach. Daje to układ spinów typu „góra-dół-góra”, w odróżnieniu od ferromagnetycznego układu „góra-góra-góra”. Taki naprzemienny układ znosi namagnesowanie generowane przez spiny, dzięki czemu materiał nie ma makroskopowego pola magnetycznego. Néel otrzymał w 1970 roku Nagrodę Nobla z fizyki po eksperymentalnym potwierdzeniu swoich przewidywań. W wykładzie noblowskim stwierdził, że chociaż odkryte przez niego „antyferromagnetyki” teoretycznie są „niezwykle interesujące”, to, ze względu na brak namagnesowania, wydają się nie mieć żadnych zastosowań praktycznych.

Jednak pod koniec lat 80. odkryto, że przydatna jest inna właściwość magnesów: potrafią one regulować opór elektryczny materiału. Fizycy Peter Grünberg i Albert Fert niezależnie od siebie wykazali, że umieszczając w urządzeniu równolegle dwie warstwy ferromagnetyczne, a następnie zmieniając orientację ich pól magnetycznych, można kontrolować natężenie prądu przepływającego przez urządzenie. Dzieje się tak dlatego, że gdy prąd przepływa przez ferromagnetyk, spiny elektronów mają tendencję do ustawiania się zgodnie z kierunkiem namagnesowania. Prąd ulega „polaryzacji spinowej”, a prąd spolaryzowany przez jeden magnes będzie łatwiej przepływał przez inny. Uzyskana w ten sposób zmiana oporu nazywana jest gigantycznym magnetooporem (giant magnetoresistance; GMR), ponieważ niewielkie pole magnetyczne użyte do odwrócenia magnetyzacji jednej z dwóch warstw może spowodować ogromną zmianę oporu.

Odkrycia Grünberga i Ferta przyniosły im w 2007 roku Nagrodę Nobla z fizyki i dały początek spintronice – dziedzinie elektoniki, w której spin służy do przekazywania i przechowywania informacji. (W elektronice klasycznej tę rolę pełni ładunek elektryczny). Spintronika zrobiła furorę w latach 90., kiedy IBM opracował oparte na GMR „głowice odczytujące” służące do pobierania danych z dysków twardych: ich wyjątkowa wrażliwość na magnetyzm doprowadziła do gęstszego upakowania bitów i tysiąckrotnego wzrostu pojemności pamięci dyskowej. Efekt wykorzystywany w GMR – różnicowa przewodność obróconych ferromagnetyków – został spożytkowany w spintronice do przedstawiania jedynek i zer w technologii pamięci zwanej MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory). Znalazła ona swoje miejsce w specjalistycznych chipach komputerowych stosowanych w samochodach, urządzeniach AGD i smartwatchach.

Przez dziesięciolecia uważano, że polaryzacja spinowa to głównie efekt ferromagnetyczny, ale odkrycie altermagnesów to zmieniło. Co więcej, zrewolucjonizowało ogólne rozumienie magnetyzmu. Rafael Fernandes, fizyk z University of Illinois Urbana-Champaign, twierdzi, że jest to nowy sposób myślenia. „Gdy miałem 13 lat, musiałem zacząć nosić okulary; w chwili, gdy po raz pierwszy je założyłem, zdałem sobie sprawę, jak wielu rzeczy wcześniej nie dostrzegałem”.

Odkrycie altermagnetyzmu miało swój początek w pewnej enigmatycznej sytuacji: pewien antyferromagnetyk wydawał się wykazywać cechę charakterystyczną dla ferromagnetyku. W 2018 roku Sinova oraz jego współpracownicy, w tym Tomas Jungwirth – profesor z Fyzikální ústav w Czechach, University of Nottingham w Anglii oraz Uniwersytetu Tohoku w Japonii – badali teoretyczne właściwości antyferromagnetycznego dwutlenku rutenu. Z ich obliczeń wynikało, że materiał ten powinien wykazywać właściwość zwaną anomalnym efektem Halla, który pojawia się wtedy, gdy prąd przepływa przez materiał i wytwarza napięcie – siłę elektryczną – znacznie silniejsze, niż można by się spodziewać, gdyby było ono wywołane wyłącznie przez pola magnetyczne w materiale. Wiadomo, że efekt ten jest charakterystyczny dla ferromagnetyku, ale dwutlenek rutenu był antyferromagnetykem, więc jak to jest możliwe? Teoretycy i ich zespół obliczyli ten efekt, ale nie czuli, że go rozumieją. „Co tu się, u diabła, dzieje?” – wspomina Jungwirth. Sinova mówi, że po przewidzeniu tego efektu, ale tylko w jednym materiale, trzeba było zadać sobie pytanie: czy to nowy rodzaj magnetyzmu? Należało też zrozumieć symetrię, która stanowi jego źródło.

Dla fizyka symetria to cecha, dzięki której obiekt może podlegać pewnym transformacjom bez zmiany swoich właściwości. Dla przykładu, okrąg jest wysoce symetryczny, ponieważ można go obrócić o dowolny kąt, a mimo to nadal będzie wyglądał tak samo. Kwadrat również jest symetryczny, ale w mniejszym stopniu: obrót nie powoduje w nim żadnych zmian tylko wtedy, gdy kąt jest całkowitą wielokrotnością 90° .

Jednym z przełomowych osiągnięć fizyki XX wieku było uznanie roli, jaką symetria odgrywa dla praw natury. „W XIX wieku dysponowaliśmy fundamentalnymi zasadami, które wielcy fizycy przekazali nam niejako na kamiennych tablicach: zachowanie energii, zachowanie pędu, zachowanie momentu pędu – mówi Blundell. – Jednakże nie bardzo wiedzieliśmy, skąd się one wzięły”. Zmieniło się to w 1918 roku, kiedy niemiecka matematyczka Emmy Noether wykazała, że powyższe trzy prawa zachowania wynikają z symetrii praw fizycznych względem, odpowiednio, przesunięć w czasie, przemieszczeń przestrzennych i obrotów. Mniej więcej w tym samym czasie postulat Alberta Einsteina, że prawa fizyki są takie same niezależnie od ruchu obserwatora, doprowadził go do sformułowania szczególnej i ogólnej teorii względności. Obecnie uważa się, że specyficzna mieszanka cząstek elementarnych i sił, stanowiąca podstawę większości pojęć fizycznych, wynika z konkretnej kombinacji symetrii.

Jednakże sytuacja staje się naprawdę interesująca dopiero wtedy, gdy dochodzi do złamania symetrii. „Gdyby Wszechświat cechował się najwyższą możliwą symetrią, czyli pełną symetrią obrotową i pełną symetrią translacyjną, byłby całkowicie pozbawiony jakichkolwiek charakterystycznych cech – mówi Riccardo Comin, fizyk kierujący grupą badawczą Li w MIT. – Nie byłoby życia, planet, niczego”. Dla przykładu, chociaż symetria obrotowa praw fizyki rządzących oddziaływaniami subatomowymi sugeruje, że w przestrzeni nie ma żadnego wyróżnionego kierunku, to w wystarczająco niskich temperaturach, w procesie zwanym spontanicznym łamaniem symetrii, prawa te mogą powodować zjawiska, takie jak magnetyzm, który wyznacza konkretny kierunek. „Zasadniczo im mniej symetryczne są rzeczy, tym są bogatsze i bardziej zróżnicowane” – mówi Comin.

Doskonałym przykładem jest porównanie ferromagnetyka z antyferromagnetykiem: względny brak interesujących i użytecznych właściwości tego drugiego wynika z faktu, że antyferromagnetyki zachowują symetrię, którą ferromagnetyki łamią. Wyobraźmy sobie, że odwracamy wszystkie spiny w magnesie tak, by skierowane były w przeciwną stronę. Antyferromagnetyk zasadniczo nie ulegnie zmianie, podczas gdy namagnesowanie ferromagnetyka zmieni kierunek, a jego bieguny północny i południowy zamienią się miejscami. Fizycy twierdzą, że ferromagnetyk łamie „symetrię odwrócenia czasu”, a antyferromagnetyk w większości nie, ponieważ takie odwrócenie spinów jest tym, co można by zaobserwować, gdyby udało się w jakiś sposób odwrócić strzałkę czasu, a tym samym kierunek „obrotu” każdego elektronu [patrz grafika poniżej].

Oczywiście nie możemy naprawdę cofnąć czasu, ale rozważanie jego teoretycznych skutków jest użytecznym eksperymentem myślowym. I to właśnie złamanie symetrii odwrócenia czasu pozwala ferromagnetykom wykazywać prądy spolaryzowane spinowo, anomalny efekt Halla i inne właściwości, których nie mają antyferromagnetyki. A przynajmniej tak się wydawało, dopóki nie pojawili się Sinova i jego współpracownicy.

Libor Šmejkal, były student Sinovy i Jungwirtha, obecnie pracujący w Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme w Niemczech, po przeprowadzeniu wymagających użycia superkomputera skomplikowanych obliczeń, w końcu doszedł do wniosku, że klucz do rozwiązania zagadki dwutlenku rutenu tkwi w kształtach jego atomów. Atomy rutenu, obecne w dwutlenku rutenu, mają spiny, które sprawiają, że ma on własności magnetyczne, ale naturalny kulisty kształt ich chmur elektronowych jest zdeformowany przez sąsiednie atomy tlenu. Okazuje się, że chmury atomowe o spinach skierowanych w jednym kierunku są obrócone o 90° w stosunku do chmur o spinach skierowanych w przeciwnym kierunku. Powstały układ spinów i kształtów łamie symetrię odwrócenia czasu, ponieważ odwrócenie spinu zmienia magnes.

Co więcej, Šmejkal zaobserwował, że dwutlenek rutenu zachowuje symetrię, która nadaje mu wyjątkowe właściwości, jakich nie mają nawet ferromagnetyki. Odwrócenie spinów (podobne do teoretycznego odwrócenia czasu), a następnie obrót atomów magnesu o 90° przywraca układ spinów i kształtów do stanu początkowego. Dzięki tej symetrii może on wytwarzać prądy o polaryzacji spinowej, których spiny zmieniają (alternują) się z obrotem prądu – właściwość, od której pochodzi nazwa altermagnesów.

Krótko mówiąc, Šmejkal pokazał, że źródłem „magii” magnesu jest raczej symetria, a nie jego namagnesowanie. Podobnie jak antyferromagnetyki, altermagnetyki nie są namagnesowane i jako całość nie mają pola magnetycznego; ponieważ jednak łamią symetrię odwrócenia czasu, może w nich powstawać wiele użytecznych efektów magnetycznych, takich jak polaryzacja spinowa.

Następnie Šmejkal zastosował teorię grup – dziedzinę matematyki zajmującą się opisem symetrii – aby opracować system klasyfikacji magnesów i precyzyjnego określania ich właściwości. „Ten opis symetrii okazał się niezwykle owocny”– mówi Šmejkal – ponieważ udało mi się usystematyzować wszystkie materiały”. Dla przykładu, z jego systematyki wynika, że dla materiałów, których spiny są kolinearne (czyli ustawione równolegle do siebie), możliwe są tylko trzy odrębne typy namagnesowania – ferromagnetyki, antyferromagnetyki i altermagnetyki. (W tych trzech przypadkach spiny mogą być skierowane w górę lub w dół, ale nigdy w bok pod kątem). Systematyka ta umożliwia również identyfikację nowych materiałów magnetycznych. Šmejkal i jego współpracownicy, przeglądając bazy danych znanych materiałów, znaleźli ponad 200 potencjalnych altermagnetyków. Wiele z nich, na przykład dwutlenek rutenu, jest dobrze znanych, ale nikt nie podejrzewał, że mają one jakiekolwiek szczególne właściwości.

W owym czasie większość badań miała wciąż charakter czysto teoretyczny. Sytuacja uległa zmianie w 2024 roku, kiedy to zespół pod kierownictwem Juraja Krempasky’ego z Paul Scherrer Institut w Szwajcarii po raz pierwszy jednoznacznie potwierdził istnienie altermagnesu. Naukowcy skierowali precyzyjnie skalibrowane promieniowanie z akceleratora cząstek synchrotronowych na kryształ tellurku manganu i zmierzyli energię, pęd i spin jego elektronów. Wyniki dowiodły, że właściwości te są zgodne z przewidywaniami Šmejkala i innych teoretyków. Chociaż tellurek manganu jest zbyt kruchy, aby można go było wykorzystać komercyjnie, wynik ten dobrze wróży spintronice, ponieważ istnieje wiele innych potencjalnych altermagnesów – twierdzi Peter Wadley, fizyk z University of Nottingham, który brał udział w eksperymencie. Materiały te „w piękny sposób łączą zalety ferromagnetyków i antyferromagnetyków – uważa Wadley. – To jak magnes z fantazji; jest prawie zbyt dobry, aby był prawdziwy”.

Qian song marzy, żeby jedna technologia pamięci komputerowych zastąpiła wszystkie pozostałe. Komputery zazwyczaj wykorzystują kilka rodzajów pamięci: szybką, ale ulotną pamięć RAM, która do działania potrzebuje zasilania; wolniejsze dyski półprzewodnikowe, które przechowują dane przez dłuższy czas; i magnetyczne dyski twarde, które tworzą większość pamięci w chmurze. Jako doktorant w grupie badawczej Comina, Song – teraz już postdoktorant na University of California w Berkeley – zapoczątkował projekt, nad którym pracuje aktualnie Li. W 2025 roku po raz pierwszy zademonstrował spiralny wariant fali p altermagnesu w jodku niklu i uważa, że może to być klucz do rozwiązania uniwersalnego. „Dlaczego potrzebujemy tylu różnych rodzajów pamięci? – pyta Song. – Chcę to ujednolicić i zwiększyć szybkość pamięci. Pytanie brzmi: czy istnieje jakakolwiek fizyczna granica?”

Najbardziej do tej granicy mogą się zbliżyć altermagnetyki, gdyż łączą w sobie pożądane właściwości ferromagnetyków i antyferromagnetyków. Podobnie jak ferromagnetyki, mogą one generować prądy spolaryzowane spinowo i wywoływać efekty jak GMR. Tak jak antyferromagnetyki, mają one spiny, które mogą obracać się około 1000 razy szybciej niż spiny ferromagnetyków, co oznacza, że pamięci mogłyby działać z prędkością teraherców, a nie gigaherców, jak obecnie. Kolejną zaletą altermagnetyków, wspólną z antyferromagnetykami, jest brak magnetyzacji i wrażliwości na pola magnetyczne, co pozwoliłoby inżynierom na upakowanie znacznie większej liczby elementów na niewielkiej przestrzeni. A magnetyzm p-falowy, który Song odkrył w jodku niklu, potencjalnie może być kluczem do ogromnego wzrostu efektywności energetycznej.

Magnesy p-falowe należą do czwartej i ostatniej kategorii systemu symetrii Šmejkala. Są to antyaltermagnetyki, które łamią symetrię w przypadku transformacji zwanej inwersją, polegającej zasadniczo na odwróceniu obiektu na lewą stronę. Tego rodzaju magnesy nie mają spinów kolinearnych – dla przykładu, spiny w jodku niklu zamiast układać się równolegle przyjmują ustawienie trójkątne, które obraca się w krysztale. W rezultacie powstaje kształt helisy, podobny do śruby lub cząsteczki DNA. Podobnie jak w przypadku śruby, helisa może być prawo- lub lewoskrętna – jest to właściwość zwana chiralnością, która łamie symetrię inwersji i zapewnia urządzeniu Songa i Li przydatną funkcję: możliwość efektywnego przełączania chiralności magnetyzmu poprzez przyłożenie pola elektrycznego.

Słuchając na początku 2024 roku wykładu Comina poświęconego eksperymentom Songa z jodkiem niklu, Fernandes przypomniał sobie niedawno opublikowaną pracę, w której Šmejkal i jego współpracownicy przewidzieli magnetyzm p-falowy, i zdał sobie sprawę, że słyszy coś znajomego. „To wygląda na falę p” – pomyślał Fernandes. Magnetyzm p-falowy nie został jeszcze zaobserwowany eksperymentalnie, a koncepcja była tak nowa, że nawet Comin o niej nie słyszał. Jednak po podjęciu współpracy z Fernandesem zdał sobie sprawę, że teoria leżąca u podstaw magnetyzmu p-falowego może wyjaśniać niezwykłe i potencjalnie użyteczne właściwości jodku niklu, które odkrył Song. W międzyczasie Song skupił się już na stworzeniu uniwersalnej pamięci: p-falowej wersji magnetycznego złącza tunelowego – elementu pamięci MRAM, który przechowuje pojedynczy bit.

Song szacuje, że takie urządzenie mogłoby zapisywać dane, zużywając zaledwie jedną stutysięczną (lub mniej) energii wymaganej przez jakąkolwiek z istniejących pamięci – głównie dzięki wydajnemu przełączaniu prądu, które umożliwia magnes p-falowy. Aby jednak odczyt danych był równie efektywny, kryształ bromku niklu, który będzie stanowił jedną z warstw urządzenia, musi mieć grubość atomową. To właśnie poszukiwaniem takiego idealnego kryształu zajęła się Li.

Teraz w laboratorium jej ręce, ubrane po łokcie w parę czarnych gumowych rękawic, sięgały do ogromnego akrylowego pudła. W dłonie wzięła krążek krzemu pokryty kryształkami bromku niklu. Umieściła krążek pod mikroskopem sił atomowych, którego ostrze przez następne 10 min miało wytyczyć nad krążkiem linię grubości kilku nanometrów. Linia ta miała otaczać obszar o wymiarach 25×25 μm, a Li miała następnie wyznaczyć grubości kryształków znajdujących się w jego obrębie. Na ekranie komputera widać było postępy ruchów ostrza nad krajobrazem żółtych, niebieskich i zielonych kształtów. Gdy mikroskop zakończył pracę, Li narysowała myszką na ekranie linię wzdłuż krawędzi obiecującego kryształka i odczytała liczbę: 10 nm. Cienki, ale nie wystarczająco. „To wszystko, co chciałam wiedzieć” – stwierdziła.

Odkrycie altermagnetyzmu uwydatnia fakt, że nie istnieje tylko jeden rodzaj niekonwencjonalnego magnetyzmu, lecz jest ich wiele. Po pierwsze, magnesy mogą być hybrydami czterech podstawowych typów Šmejkala i tym samym łączyć w sobie ich cechy, podobnie jak psy rasy labradoodle mają cechy labradorów retrieverów i pudli. Ponadto w ramach systematyki Šmejkala istnieje potencjalnie wiele podkategorii, które teoretycy próbują obecnie szczegółowo opisać. Jak twierdzi Igor Mazin, profesor fizyki na George Mason University, w przypadku magnesów niekolinearnych – w tym p-falowych, ale także takich osobliwości, jak przypominające wiry formacje, znane jako skyrmiony – precyzyjna klasyfikacja jest zadaniem nie do wykonania, ponieważ możliwości są nieograniczone. „W przypadku magnesów kolinearnych można powiedzieć, że jest to góra i dół – mówi Mazin. – Kiedy przechodzi się do obiektów niekolinearnych, można dokonywać większych lub mniejszych obrotów, w takim czy innym kierunku”.

Charakterystycznym przykładem jest jodek niklu. Fernandes mówi, że szczegółowa analiza symetrii wykazała, iż mimo że materiał ten „przypomina” magnes p-falowy, „tak naprawdę nim nie jest”, ponieważ nie spełnia wszystkich kryteriów Šmejkala dla tej kategorii. Jest to magnetyczny odpowiednik rasy labradoodle, który wygląda i zachowuje się bardzo podobnie do magnesu p-falowego. I chociaż niedawne eksperymenty potwierdziły, że kilka materiałów to faktycznie altermagnetyki, to jednocześnie podały w wątpliwość status ich prekursora – dwutlenku rutenu. „Ten materiał prawdopodobnie nie jest magnetyczny – mówi Jungwirth. – W naszych pracach teoretycznych wybraliśmy [nieco] niefortunny pierwszy przykład”.

Pomimo tych zawirowań odkrycie altermagnetyków wywołało lawinę związanych z nimi badań i wzbudziło ogromne nadzieje w środowisku spintronicznym. Artykuł Šmejkala, Sinovy i Jungwirtha z 2022 roku, w którym po raz pierwszy użyto terminu „altermagnes”, został zacytowany już ponad 1500 razy. W rzeczywistości jednak altermagnetyzm był tylko jednym z wielu przełomowych odkryć ostatniej dekady, które otworzyły ogromne możliwości w badaniach nad magnetyzmem

Pedram Khalili, profesor inżynierii elektrycznej i komputerowej na Northwestern University, datuje początek nowej ery na rok 2016, kiedy to Wadley z University of Nottingham wraz ze współpracownikami wykazał, że można elektrycznie przełączać antyferromagnetyk, co wcześniej uważano za niemożliwe. „Stopniowo zaczęliśmy rozumieć, że wiele z tych zjawisk, które zwykle kojarzymy z ferromagnetykami, w rzeczywistości nie wynika z ich namagnesowania – mówi. – To tylko bardzo powierzchowny sposób ich rozumienia”.

Kwestią otwartą pozostaje, jaki wpływ nowe podejście będzie miało na technikę. Dla przykładu, urządzenie Li i Songa nigdy nie trafi do wnętrza komputera ani do centrum danych. Magnetyzm p-falowy jodku niklu może przetrwać tylko w temperaturach poniżej 60 K, czyli niższych niż temperatura ciekłego azotu. Li przeprowadzała swoje pomiary w komorze rękawicowej wypełnionej argonem, ponieważ bromek niklu, podobnie jak jodek niklu, jest solą, która rozpuszcza się w kontakcie z parą wodną, która przecież znajduje się w powietrzu. „Nie ma to praktycznego zastosowania, ale uważamy, że wiedza zdobyta dzięki jodkowi niklu pomoże w poszukiwaniu nowych materiałów – mówi Comin. – To jeden z kierunków, w którym prowadzimy badania”.

Droga od przełomu naukowego do zastosowań komercyjnych jest zazwyczaj usłana przeszkodami – twierdzi Stuart Parkin, który w latach 90. opracował dla firmy IBM głowice odczytujące oparte na technologii GMR, a obecnie jest dyrektorem Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik w Niemczech. „Często zdarza się, że pracownik naukowy odkrywa jakieś zjawisko i uważa, że to jest wszystko, co trzeba, i że można to do czegoś wykorzystać” – mówi. Zazwyczaj jednak „potrzebna jest nie tylko jedna cecha, ale kilka”. Do cech tych należą trwałość i opłacalność produkcji, czego nie ma w rzemieślniczym podejściu Li w laboratorium. Do tego dochodzą kwestie inercji i kosztów. „Aby uzasadnić całą inwestycję we wprowadzenie zmiany, zazwyczaj potrzebne jest urządzenie, które w jakiś sposób przewyższa inne urządzenia o jeden lub dwa rzędy wielkości” – mówi Parkin. Ocenia, że nawet wtedy może minąć od 10 do 20 lat, zanim odkrycie przyniesie efekty komercyjne. Dla przykładu, w przypadku GMR zajęło to około dekady, a w przypadku supermocnego włókna syntetycznego Kevlar – aż dwie.

Tak czy inaczej, pomysł, że pamięć altermagnetyczna wyprze wszystkie konkurencyjne technologie, jest „całkowicie nierealny” – uważa Daniel Worledge, starszy kierownik w IBM, który kieruje działaniami badawczo-rozwojowymi firmy nad pamięcią MRAM. „Już 25 lat temu słyszałem, że MRAM ma stać się pamięcią uniwersalną. Miała zastąpić pamięć flash, DRAM i SRAM i być absolutnie najlepsza – mówi. – Tak się po prostu nie stało, ponieważ każda z tych technologii jest niezwykle wyspecjalizowana i naprawdę dobra w swoim zakresie. MRAM jest naprawdę świetna w tym, co robi, ale nie ma jednej pamięci, która byłaby dobra we wszystkim”.

Khalili kieruje zespołem, który niedawno skonstruował obiecujące magnetyczne złącze tunelowe oparte na antyferromagnetykach niekolinearnych. Działa w temperaturze pokojowej i jest wykonane z materiałów nadających się do różnych zastosowań, woli jednak nie spekulować na temat jego ewentualnego wykorzystania. „To zupełnie nowe urządzenie oparte na zupełnie nowej fizyce – mówi Khalili. – To również okazja do całkowitego przemyślenia architektury komputerowej. Być może największe korzyści przyniosą rozwiązania, których obecnie nawet nie przewidujemy”.