Diamant s chybou v krystalu může změnit budoucnost počítačů. Fyzici objevili třetí druh magnetu, o kterém učebnice mlčí

Tým fyziků navrhl, jak pomocí záměrně poškozené diamantové mřížky odhalit altermagnety, nově popsanou magnetickou fázi, kterou dosavadní klasifikace řadila jinam.

Zdroj fotografie: Unplash

Když se v diamantové mřížce jeden atom uhlíku nahradí dusíkem a vedle něj zůstane prázdné místo, vznikne takzvané NV centrum, drobný kvantový defekt, který je extrémně citlivý na magnetické pole ve svém okolí. Právě tuto „chybu v krystalu” navrhli fyzikové z University at Buffalo a dalších institucí jako senzor schopný rozpoznat třetí druh magnetického uspořádání, o němž se v učebnicích dodnes nepíše. Říká se mu altermagnet. Na rozdíl od feromagnetu, který přitahuje ledničkové magnety, a antiferomagnetu, jehož protichůdné spiny se navzájem vyruší, altermagnet kombinuje nulovou celkovou magnetizaci s elektronickými vlastnostmi, jež připomínají feromagnet. Teoreticky ho pojmenovali už v roce 2021 fyzikové Libor Šmejkal, Jairo Sinova a Tomáš Jungwirth, ale spolehlivě ho detekovat zůstává dodnes úzkým hrdlem celého oboru. studie publikovaná v Physical Review Letters přichází s řešením, zatím ovšem pouze na teoretické úrovni.

Proč učebnice o altermagnetech mlčí

Ze školních hodin si většina lidí pamatuje dva typy magnetického uspořádání. Feromagnet: spiny atomů míří stejným směrem, materiál má makroskopickou magnetizaci. Antiferomagnet: sousední spiny míří opačně, výsledná magnetizace je nulová a elektronové pásy zůstávají spinově degenerované. Altermagnet spadá jinam. Jeho výsledná magnetizace je sice také nulová, jenže opačné spinové podsoustavy jsou propojené rotací v reálném prostoru, nikoli pouze translací nebo inverzí. Důsledek: elektronové pásy se štěpí podle spinu a materiál vykazuje některé odezvy typické pro feromagnety, bez toulavého magnetického pole.

Starší klasifikační rámec magnetických grup tuto třetí větev jednoduše nerozlišoval. Řada kandidátních látek byla známá desítky let, ale jejich jemné symetrie nikdo nevyhodnotil jako samostatnou kategorii. Teprve nová spin-grupová teorie, formulovaná v preprintu z května 2021, oddělila altermagnety od antiferomagnetů. Přehledový článek v Nature z ledna 2026 stále označuje altermagnetismus za „nedávný objev” a teoretické předpovědi naznačují více než dvě stovky možných altermagnetických materiálů.

Diamant jako kvantový detektor

NV centrum v diamantu funguje jako miniaturní magnetická sonda s nanometrovým rozlišením. Jeho spinové stavy se dají opticky připravit i přečíst pomocí fluorescence. Když se v okolí změní magnetický šum, změní se i rychlost, s jakou NV centrum relaxuje, a právě tuto relaxační rychlost autoři studie navrhují sledovat.

Princip detekce je elegantní: kandidátní altermagnetický materiál se přiblíží k diamantu s mělkým NV defektem a měří se, jak se relaxační rychlost mění při různých orientacích vzorku. Směrová závislost podle simulací nese jednoznačný podpis altermagnetického uspořádání, který nelze zaměnit s běžným antiferomagnetem. Výhoda oproti dosavadním metodám, jako je fotoelektronová spektroskopie nebo neutronová difrakce, spočívá v tom, že NV relaxometrie je lokální a méně invazivní. U klíčového kandidáta, oxidu rutheničitého (RuO₂), totiž dosavadní experimenty nedokázaly přinést definitivní a reprodukovatelnou detekci; novější práce z let 2024 a 2025 dokonce vzbudily další pochybnosti. Spolehlivější experimentální důkazy zatím stojí především na teluridu manganu (MnTe), kde přímé spektroskopické a mikroskopické potvrzení přišlo už v roce 2024.

Je ovšem nutné zdůraznit: navržený diamantový senzor zatím existuje pouze v teorii. Experimentální ověření teprve musí přijít. Protože NV relaxometrie jako metoda už v jiných systémech funguje, nejde o stavbu platformy od nuly, ale přenos na altermagnety si vyžádá vhodné vzorky, geometrii s mělkými NV centry a kalibraci směrové odezvy. Spíše roky než měsíce.

Česká stopa v příběhu altermagnetismu

Altermagnetismus není jen importovaná novinka ze zahraničních laboratoří. Libor Šmejkal, spoluautor původní teoretické formulace z roku 2021 i studie o diamantovém senzoru, je spojený s Fyzikálním ústavem Akademie věd ČR a dlouhodobě spolupracuje s Univerzitou v Mohuči. V roce 2023 získal ocenění Falling Walls Science Breakthrough of the Year. Podle Akademie věd ČR se české týmy podílely i na experimentálním potvrzení altermagnetismu v MnTe, které vyšlo v Nature. Pražsko-mohučská spolupráce tak stojí u dvou klíčových milníků oboru: pojmenování nové fáze i jejího experimentálního potvrzení.

Co to znamená pro budoucnost počítačů

Samotný diamant s NV centrem počítače nezmění. Může ale výrazně urychlit hledání materiálů, které by jednou proměnily spintronické paměti a čipy. Altermagnety slibují nulové toulavé pole, vysokofrekvenční spinovou dynamiku v terahertzovém pásmu a spinově polarizované proudy – vlastnosti ideální pro vysokohustotní paměti, nanooscilátory i úspornější přenos informací. Pokud se nový senzor osvědčí v laboratoři, mohl by z katalogu více než dvou set teoreticky předpovězených kandidátů rychleji a šetrněji vytřídit ty, které mají reálný potenciál pro součástky.

Komerční horizont zatím nikdo nedokáže určit a bylo by nadsazené tvrdit, že altermagnety brzy nahradí dnešní křemíkové čipy. Cesta od teoretického návrhu senzoru přes experimentální ověření až k funkčním spintronickým prvkům je dlouhá. Každý obor ale potřebuje nejdříve spolehlivý měřicí nástroj a právě ten teď fyzikové navrhli z diamantu s jednou chybějící vazbou.