Mgr. Kamil Olejník, Ph.D.

Nositel Neuron Impulsu za rok 2017

Počítače budou mít zanedlouho problém. Podle Mooreova zákona se každé dva roky zdvojnásobí počet tranzistorů na jednom křemíkovém čipu. Nyní jich tam je až 30 milionů. Ovšem blíží se hranice, kdy už zmenšování tranzistorů nebude technicky možné. Dalším limitem je chlazení obrovského množství transistorů. Vědci proto hledají nové koncepty pro výpočetní technologie. Jedním z nadějných směrů je výzkum Kamila Olejníka. Na svůj projekt obdržel Neuron Impuls.

Nositel Nobelovy ceny se mýlil

Jaký je hlavní předmět vašeho bádání?
Náš výzkum se odehrává v rámci vědního oboru zvaného spintronika. Ten se snaží novým způsobem využívat magnetické a elektrické vlastnosti materiálů. Pro zpracování informace používá spin elektronu, což slibuje významnou úsporu energie. Doposud se většina pozornosti soustředila na feromagnetické materiály, kde jsou magnetické momenty atomů orientovány stejným směrem. My jsme se v nedávné době zaměřili na možnost použití antiferomagnetů. V nich jsou magnetické momenty atomů také orientovány, nicméně momenty sousedních atomů mají opačný směr, takže celkový moment většího kusu materiálu je nulový a zdánlivě neviditelný. Za studium antiferomagnetů získal francouzský fyzik Louis Néel v roce 1970 Nobelovu cenu. V laureátské řeči tehdy poznamenal, že antiferomagnety jsou z teoretického hlediska velice zajímavé, ale nevypadá to, že by se daly k čemukoli použít. Uplynulo necelých padesát let a po odhalení spintronických jevů jsou antiferomagnety slibným materiálem pro vývoj nové generace počítačů. 

V čem by mohly být lepší než současné počítače?
Antiferomagnetické paměti jsou rychlejší než feromagnetické, jsou stejně rychlé jako nynější RAM (mohou být dokonce i rychlejší). Současně mohou uchovávat informaci dlouhodobě a bez napětí jako hard disky. Díky těmto výhodám by v ideálním případě mohla jediná paměť nahradit hard disk i RAM. Výrazně by tak klesla spotřeba energie a vzrostla efektivita, protože data by se nemusela pohybovat mezi hard diskem a pamětí. 

Co je cílem vašeho projektu? 
V posledních letech se nám podařilo demonstrovat, že je možné elektrickým proudem do antiferomagnetu zapsat informaci a že je to možné provést rychleji než ve feromagnetech. Přestože vnější moment antiferomagnetu je nulový a není tady možné ho detekovat, lze například měřením odporu určit orientaci kompenzujících se momentů a lze do ní také ukládat informaci. Víme tedy, že antiferomagnetické paměti fungují, ale nevíme jak přesně. Například neznáme roli magnetických domén nebo tepla během zápisu, tudíž není jasné, které parametry materiálů jejich funkci ovlivňují. Cílem projektu je studovat tyto mechanizmy během krátkých elektrických pulsů v délce okolo jedné nanosekundy, která odpovídá pracovní rychlosti dnešních procesorů. Na základě toho bude možné optimalizovat parametry materiálů pro budoucí počítače. 

Kdy se takových počítačů dočkáme?
Obecně platí, že na základní výzkum musí navázat další rozsáhlý vývoj velkých počítačových firem. Investují do něho peníze a čas teprve, když jim vědci předloží důkazy o výhodách nové technologie a splní řadu podmínek. Z tohoto hlediska je velmi důležité, že se nám podařilo připravit funkční vrstvy antiferomagnetického materiálů na křemíku. Kompatibilita s křemíkovými technologiemi je v podstatě podmínkou pro další vývoj, protože s křemíkem mají výrobci elektroniky více než padesátileté zkušenosti a investovali do ní obrovské finanční prostředky. Vývoj menší antiferomagnetické paměti pro speciální účely (kde by se například využilo její malé spotřeby a odolnosti proti magnetickému poli) by mohl proběhnout relativně rychle, v řádu několika let. Nahrazení operační paměti, případně přebudování celého počítače by samozřejmě byl běh na delší trať a než by se do něj někdo pustil, bude ještě třeba vyřešit několik problémů.

Jak vám při výzkumu pomůže Neuron Impuls?
Většinu finančních prostředků použijeme k nákupu generátoru krátkých elektrických pulsů, vysokofrekvenčních kabelů a dalších přístrojů. Sestavíme z nich experimentální aparaturu, která nám umožní charakterizaci chování prototypů pamětí v oboru nano a sub-nanosekundových pulsů. 

Existuje riziko, že cíle nedosáhnete? Jaké výsledky pak získáte?
Samozřejmě bychom rádi rychle přišli na způsoby, jak vylepšit vlastnosti našich pamětí a přiblížili je tím k aplikacím. Ale i když se to hned nepodaří, umožní nám to lépe pochopit fyzikální jevy ovlivňujících jejich funkci. Experimenty s krátkými pulsy nám otevřou řadu nových dveří a za některými z nich se jistě skrývá něco zajímavého a užitečného. 

Zaměřily se na stejné téma i jiné týmy ve světě?
Několik dalších skupin se paralelně zabývá příbuznými tématy. Mohu ale říci, že náš tým začal jako první na světě se studiem antiferomagnetických spintronických pamětí ovládaných pulsy elektrického proudu. Naše průlomové objevy publikované v posledních dvou letech již spustily vlnu výzkumu dalších skupin.

Spolupracujete se zahraničními odborníky?
Intenzivně spolupracujeme se skupinami v Nottinghamu a Cambridge. Nedávno jsme také spojili síly s týmem z Curychu, kde mají zkušenosti s vývojem feromagnetických spintronických pamětí, které jsou pro nás výborným měřítkem pro určení výhod nových antiferomagnetických pamětí.

Jaký je smysl vědy? Proč je pro vás důležitá? 
Nepředstavuji si, že výsledky našeho výzkumu zachrání planetu třeba tím, že spintronické počítače ušetří energii. Lidstvo bude úspornější počítače pravděpodobně o to více využívat, takže jejich celková spotřeba energie stejně dále poroste. Mě k vědecké práci spíše motivuje každodenní potřeba hledání kreativních řešení problémů a neustálá konfrontace našich představ s definovatelnými, měřitelnými parametry. Na vědě mě baví, že když odloupnete jednu slupku problému, objevíte další doposud skryté vrstvy s nečekanými vlastnostmi. To nás nutí každý den chápat a dělat úplně nové věci. 

Pracoval jste dva roky v zahraničí. Můžete porovnat podmínky pro výzkum u nás a v cizině?
Nevnímám kvalitativní rozdíl mezi podmínkami v zahraničí a u nás. Výborné a průměrné týmy jsou  u nás i v zahraničí. Pro špičkovou českou vědu je klíčové financování z Evropské unie a možnost a podpora otevřené spolupráce v rámci Evropské unie a po celém světě.

Text: Josef Matyáš