Redakcja: Za co Fert i Grünberg otrzymali Nagrodę Nobla z fizyki w 2007 roku?

Prof. Tomasz Dietl: Dobrze widzieć to osiągnięcie w kontekście rewolucji informacyjno-komunikacyjnej, której jesteśmy świadkami. Poznanie świata, jaki w tej chwili znamy wiązało się z czterema rewolucjami. Po pierwsze nauczyliśmy się mówić, po drugie zrozumieliśmy jak pisać, po trzecie z końcem średniowiecza pojawił się druk, no i wreszcie czwarta była rewolucja informacyjno-komunikacyjna. Dzięki niej informacja jest dostępna wszędzie, dla każdego, w dowolnym momencie czasu i przestrzeni. Komitet Noblowski kilkukrotnie, jak dotąd, wyróżniał fizyków, którzy wnieśli swój wkład właśnie w osiągnięcia technologiczne.

Pierwsza była nagroda z 1956 r. za zbudowanie tranzystora, następnie nagroda z roku 2000 za układy scalone oraz osiągnięcia w dziedzinie półprzewodników heterostrukturalnych. Z kolei Albert Fert i Peter Grünberg zbudowali magnetyczne warstwy, których wysoka czułość na zewnętrzne pole magnetyczne może być wykorzystana do odczytu informacji z twardych dysków. Jeżeli mamy np. twardy dysk o pojemności 1 TB (jednego terabajta) i jeśli wiemy, że każdy bit zajmuje mniej więcej dwie komórki, to możemy wyliczyć, że komórka pamięci w dysku zajmuje około 10-20 nanometrów. Nanometr jest mniej więcej 10 000 razy mniejszy niż średnica włosa ludzkiego, czyli w średnicy włosa mogłoby się zmieścić bardzo wiele tego rodzaju komórek.

W tym momencie powstaje pytanie, jak odczytywać zapis z taką rozdzielczością? Okazało się, że warstwy metaliczne, wyjątkowo czułe na zewnętrzne pole magnetyczne, można zmniejszać do bardzo niewielkich rozmiarów, ich czułość ulega nawet wówczas polepszeniu i mogą one służyć do odczytu informacji z twardych dysków. Za tym zjawiskiem kryje się bardzo ciekawa fizyka. Co interesujące, twórcą teorii gigantycznego magnetooporu i tego, czemu on występuje, jest prof. Józef Barnaś z Poznania, który wspólnie z Fertem i Grünbergiem napisał wiele prac dotyczących GMR (ang. Giant MagnetoResistance).

Na czym dokładnie polega zjawisko gigantycznego magnetooporu? -> oglądaj od 3:42

Czemu wraz z odkryciem gigantycznego magnetooporu „zaczęła się era elektroniki spinowej”?

Zapis magnetyczny, który wykorzystujemy w twardych dyskach, ale i w centrach danych, jest tańszy niż zapis w technologiach półprzewodnikowych. Dlatego też postęp tej metody zapisu informacji oraz urządzeń pozwalających je szybko zapisywać i odczytywać był wyjątkowo istotny dla naszych możliwości magazynowania danych. Błyskawiczny odczyt stał się możliwy dzięki gigantycznemu magnetooporowi odkrytemu niezależnie przez Alberta Ferta i Petera Grünberga.

Obecnie fizycy pracują również nad tym, żeby zapisywać informacje w sposób inny niż dotychczas. Znany od ponad 100 lat zapis magnetyczny to technologia, w której za pomocą małego elektromagnesu magnesujemy poszczególne komórki pamięci. Zadaniem elektroniki spinowej jest zaś znalezienie metod, dzięki którym zapis informacji będzie możliwy np. poprzez przepuszczenie prądu elektrycznego czy przyłożenie napięcia. W tej chwili zaczynają się już pojawiać pamięci magnetyczne o dowolnym dostępie, szybsze niż pamięci półprzewodnikowe i umożliwiające trwalszy zapis. Nie wymaga to odświeżania, bo jeśli namagnesowanie odbywa się w jakimś kierunku, to przez 10 lat ten kierunek się nie zmienia. W pamięciach półprzewodnikowych zapis elektryczny polega na tym, że elektrony są zgromadzone na okładce kondensatora, który w pewnym momencie się rozładowuje i trzeba przez cały czas odświeżać komórkę pamięci. Zapis magnetyczny jest natomiast trwały.

Elektron posiada ładunek i spin – moment magnetyczny. Jest takim małym magnesikiem, który elektronika tradycyjna, półprzewodnikowa wykorzystywała do zapisu i przetwarzania informacji poprzez gromadzony ładunek. Spintronika, jak sama nazwa wskazuje, ma z kolei ambicje zapisywać i przetwarzać informacje właśnie za pomocą spinu. Powodem dlaczego chcemy wykorzystywać spin jest to, że przypadkowe pola elektryczne mają w przyrodzie dużo większy rozmiar niż przypadkowe pola magnetyczne. Zapis magnetyczny jest przez to trwalszy od zapisu elektrycznego i występuje w nim mniej zaburzeń niż w zapisie elektrycznym w dzisiejszych pamięciach o dowolnym dostępie.

Tak więc spintronika się rozwija, a jej ambicją jest z jednej strony stworzenie lepszych urządzeń pamięci masowej, z drugiej zaś budowa urządzeń przetwarzających informacje. Najciekawszy pomysł to zapewne wykorzystanie jej przy komputerach kwantowych, w których prawa mechaniki kwantowej używane są do wykonywania operacji logicznych. Wiele osób zajmujących się spintroniką pracuje w tej chwili właśnie nad problemami informacji kwantowej.

Jakie jeszcze zastosowania wiążą się z odkryciem noblistów z 2007 roku?

Czujniki pola magnetycznego wykorzystuje się przede wszystkim do odczytywania komórek pamięci w twardych dyskach, ale mają one zastosowanie także w wielu innych miejscach. Przykładowo urządzenia spintroniczne są stosowane do odczytu położenia wałów w silnikach elektrycznych. Istnieją również pewne zastosowania biologiczne, wiele cząsteczek biologicznych ma bowiem wbudowane nieznikające momenty magnetyczne i te urządzenia wykorzystuje się również do segregacji czy do badania obecności cząsteczek magnetycznych, np. w roztworze. Przypuszczalnie największy wysiłek odbywa się jednak w kierunku spożytkowania ich w informatyce, klasycznych komputerach i równocześnie we wspomnianych komputerach kwantowych.

Oglądaj całość