Nobel 2007.vp

wspólny cel...
strona 1/2
Nagroda Nobla z fizyki 2007
9 paŸdziernika og³oszono, ¿e Nagrodê Nobla z fizyki za rok 2007 otrzymuj¹ Albert Fert z Francji
i Peter Grünberg z Niemiec za odkrycie gigantycznego magnetooporu. Obaj laureaci s¹ niemal
rówieœnikami: Fert urodzi³ siê w 1938 roku w Carcassonne, a Grünberg w 1939 roku w PilŸnie. Niemal
równoczeœnie uzyskali te¿ doktorat: Fert w Pary¿u w 1970 roku, a Grünberg w 1969 roku w Darmstadt.
Fert od 1976 roku jest profesorem Uniwersytetu Paris-Sud w Orsay, a Grünberg od 1972 profesorem
Instytutu Badañ Cia³a Sta³ego w Jülich. Te równoleg³e kariery doprowadzi³y do najwiêkszych osi¹gniêæ
w 1988 roku, kiedy kierowane przez nich zespo³y uzyska³y niezale¿nie wyniki, za które obecnie przyznano nagrodê Nobla. Artyku³ grupy Ferta ukaza³ siê o kilka miesiêcy wczeœniej, bo pos³ano go do
„szybkiego” Physical Review Letters a nie do Physical Review, gdzie opublikowano pracê grupy Grünberga, ale to Grünberg jest posiadaczem patentu na techniczne wykorzystanie ich odkrycia. Mo¿na powiedzieæ, ¿e niezwykle rzadko zas³ugi równoczesnych laureatów s¹ a¿ tak wyrównane.
Na czym polega³o nagrodzone odkrycie? Ju¿ 150 lat temu lord Kelvin odkry³, ¿e opór elektryczny
ferromagnetyków zale¿y i od tego, jak silne jest pole magnetyczne i od k¹ta miêdzy kierunkiem tego
pola i kierunkiem przep³ywu pr¹du. 80 lat póŸniej Mott odkry³, ¿e opór zmienia siê skokowo przy
przejœciu temperatury przez tzw. temperaturê Curie, w której ferromagnetyki trac¹ swoje w³asnoœci
magnetyczne. Od dawna te¿ rozumiano, jaki jest mechanizm tych efektów. Namagnesowanie ferromagnetyka polega na uporz¹dkowaniu momentów magnetycznych elektronów zwi¹zanych z jego
atomami, a wiêc i ich spinów – wewnêtrznych momentów pêdu. Przep³yw pr¹du to ruch elektronów swobodnych w materii zbudowanej z tych atomów. Opór zale¿y od prawdopodobieñstwa rozpraszania
elektronów tworz¹cych pr¹d na zwi¹zanych elektronach materii, a prawdopodobieñstwo to zale¿y od
wzglêdnego ustawienia ich spinów i jest najmniejsze, gdy spiny s¹ równoleg³e. Dodajmy, ¿e dla najlepszych przewodników (jak miedŸ i srebro) prawdopodobieñstwo rozpraszania jest jeszcze znacznie
mniejsze z innych powodów, zwi¹zanych ze szczegó³ami struktury elektronowej ich atomów.
Z powy¿szych faktów wynika, ¿e opór ferromagnetyka jest niewielki, jeœli kierunek i zwrot namagnesowania jest zgodny z kierunkiem spinu elektronów. Oczywiœcie dla elektronów swobodnych niemal
równie prawdopodobne s¹ wszystkie kierunki spinów. Jeœli jednak z³o¿ymy ze sob¹ dwie warstwy
z przeciwnymi zwrotami namagnesowania, opór bêdzie wiêkszy, bo ¿aden elektron nie mo¿e mieæ
spinu o kierunku i zwrocie zgodnym z namagnesowaniem w obu warstwach.
Na pozór nie ma w tym nic szczególnie ciekawego. Okaza³o siê jednak, ¿e dla bardzo cienkich
warstw ferromagnetyka (o gruboœci rzêdu nanometrów) rozdzielonych równie cienk¹ warstw¹ przewodnika nieferromagnetycznego mo¿na uzyskaæ bardzo du¿e zmiany oporu przez w³¹czenie pola
magnetycznego, które uzgodni zwrot namagnesowania we wszystkich warstwach. W doœwiadczeniu
grupy Grünberga z³o¿ono dwie warstwy ¿elaza przeciwnie namagnesowane i przedzielone cienk¹
warstw¹ chromu i odkryto spadek oporu uk³adu o 1,5% przy w³¹czeniu pola magnetycznego o indukcji
zaledwie 0,03 T w temperaturze pokojowej. Grupa Ferta wybra³a zupe³nie inne warunki eksperymentu:
uk³ad kilkudziesiêciu warstw ¿elaza i chromu by³ badany w temperaturze 4,2 K. Tym razem dla warstw
chromu o gruboœci 1,8 nm zaobserwowano spadek oporu o oko³o 15% (dla pola o indukcji ponad
0,3 T), a dla warstw trzykrotnie cieñszych spadek o niemal 50% (dla pola ponad 2 T). Jeœli pole magnetyczne przy³o¿ymy kolejno do s¹siaduj¹cych czêœci uk³adu (o ma³ych powierzchniach), to uzyskamy
Data utworzenia: 2007-10-16
Wersja: 001
wspólny cel...
strona 2/2
materia³, którego opór zmienia siê nawet o czynnik 2 „od punktu do punktu”. Pozwala to na zapisanie
np. liczb w systemie dwójkowym na maleñkiej powierzchni.
Warto tu podkreœliæ, ¿e tradycyjne efekty magnetyczne dla oporu polega³y zwykle na zmianach oporu
rzêdu zaledwie 1% niezale¿nie od indukcji pola magnetycznego. Efektowi odkrytego przez grupy Ferta
i Grynberga nadano wiêc nazwê „gigantycznego magnetooporu” (Giant MagnetoResistance, czyli
GMR). W czasach eksperymentów grup Ferta i Grünberga uzyskanie du¿ych zmian oporu wymaga³o
bardzo niskich temperatur i silnych pól magnetycznych, a produkcja uk³adu nanowarstw by³a niezwykle
skomplikowana i pracoch³onna. Ju¿ po kilku latach jednak okaza³o siê, ¿e mo¿na stosowaæ metody
przemys³owe dla masowej produkcji uk³adów, które bêd¹ wykazywaæ wielkie zmiany oporu w temperaturach pokojowych i dla niezbyt du¿ych pól. Umo¿liwi³o to fantastyczn¹ miniaturyzacjê zapisu
magnetycznego. Tak zwane „twarde dyski” w komputerach, które jeszcze niedawno mia³y „pojemnoœci” zapisu mierzone w megabajtach (1 MB = 10 6 B), obecnie mog¹ pomieœciæ tysi¹ce razy wiêcej
informacji (dziesi¹tki i setki gigabajtów: 1 GB = 10 9 B), a ju¿ wkrótce zapewne pojawi¹ siê dyski terabajtowe (1 TB = 10 12 B).
Nie jest to zreszt¹ jedyne zastosowanie GMR. Efekt ten mo¿na uwa¿aæ za pierwszy krok na drodze
rozwoju zupe³nie nowej odmiany elektroniki (rozumianej jako technika, a nie dzia³ fizyki) zwanej „spintronik¹”. W tej technice do przekazu informacji u¿ywa siê nie tylko faktu, ¿e elektron ma ³adunek, ale
i zwrotu jego spinu. Sta³o siê to mo¿liwe w³aœnie dziêki miniaturyzacji obwodów, bo na wiêkszych
odleg³oœciach kierunek spinu elektronu poruszaj¹cego siê w materii zmienia siê nieuchronnie w sposób chaotyczny.
Innym od GMR przyk³adem zastosowania spintroniki jest budowa systemów, w których warstwa rozdzielaj¹ca ferromagnetyki nie jest przewodz¹ca. Pr¹d mo¿e wówczas p³yn¹æ przez uk³ad tylko dziêki
kwantowemu efektowi tunelowemu, który jest jeszcze bardziej czu³y na zmiany namagnesowania ferromagnetyka ni¿ zwyk³y przep³yw pr¹du. Taki „tunelowy magnetoopór” (Tunneling MagnetoResistance,
TMR), czyli du¿e zmiany oporu uk³adu wynik³e z przy³o¿enia pola magnetycznego, wystêpuje przy jeszcze mniejszych polach magnetycznych ni¿ GMR. Efekt ten jest ju¿ wykorzystywany w technice.
Jeszcze innym zastosowaniem spintroniki w komputerach mo¿e byæ zast¹pienie pamiêci roboczej
RAM (Random Access Memory) przez jej odpowiednik magnetyczny „MRAM”, dla której zapis nie znika
np. przy nag³ym zaniku zasilania. Byæ mo¿e doprowadzi to do stworzenia uniwersalnej pamiêci komputerów, która po³¹czy szybkoœæ dostêpu RAM i trwa³oœæ zapisu na twardym dysku, a do tego usunie
koniecznoœæ stosowania ruchomych czêœci mechanicznych i pozwoli na jeszcze efektowniejsz¹ miniaturyzacjê.
Podsumowuj¹c, mo¿na stwierdziæ, ¿e tegoroczna Nagroda Nobla stanowi rzadki przypadek wyró¿nienia fundamentalnego odkrycia, które b³yskawicznie znalaz³o zastosowania techniczne i zmieni³o
istotnie mo¿liwoœci naszej cywilizacji. Nie ma wiêc w¹tpliwoœci, ¿e nagroda dosta³a siê w godne rêce.
Krzysztof Fia³kowski
Kraków, 13.10.2007 r.
Data utworzenia: 2007-10-16
Wersja: 001