Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 41 – vyšlo 19. října, ročník 5 (2007) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

41/2007

Nobelova cena za fyziku v roce 2007

Jiří Hofman

Nobelova cenu za fyziku byla v letošním roce rozdělena mezi dva laureáty, Francouze Alberta Ferta a Němce Petera Grünberga. Cenu získali za na sobě nezávislý objev jevu obří magnetorezistence (GMR, Giant Magnetoresistance) v roce 1988. GMR je kvantověmechanický jev, při němž se elektronyElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10⁻³¹ kg a elektrický náboj 1,6×10⁻¹⁹ C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. rozptylují na feromagnetickém materiáluFeromagnetikum – materiál, ve kterém je energeticky výhodné, aby sousední magnetické momenty měly shodný směr. Tyto látky, například železo, jsou schopné značné magnetizace ve vnějším magnetickém poli. Po odstranění magnetického pole si ponechávají permanentní magnetizaci, tj. zůstávají zmagnetizované i bez vnějšího magnetického pole. Typickým příkladem je krystalické železo, kobalt či oxid chromičitý CrO₂., pokud mají směr spinuSpin – vlastní (vnitřní) rotační moment částice souvisící s Lorentzovou symetrií. Pro částici v centrálním poli se přirozeným způsobem skládá s momentem hybnosti. Částice s nenulovým spinem se mohou chovat jako elementární magnetické dipóly μ, aniž by měly elektrický náboj. Takové částice reagují na vnější magnetická pole. proti magnetizaciMagnetizace – objemová hustota magnetického dipólového momentu. Jde o vektorový součet všech elementárních dipólových momentů dělený objemem látky. Jsou-li elementární magnety orientovány chaoticky, je výsledná magnetizace nulová. materiálu. V průmyslovém využití jde o interakci proudu elektronů s nanovrstvami, v nichž se střídá feromagnetický a nemagnetický materiál. U takové konfigurace je elektrický odpor vrstev vysoký, pokud mají feromagnetické vrstvy opačný směr magnetizace. Po vložení vrstev do silného magnetického pole, které zorinetuje původně antiparalelně zmagnetizované vrstvy paralelně, se sníží elektrický odpor měřený napříč těmito vrstvami. Pokles odporu je v řádu desítek procent.

Magnetorezistence – závislost elektrického odporu na vnějším magnetickém poli. Pokud má vodič magnetické vlastnosti, může směr vnějšího magnetického pole ovlivnit jeho elektrický odpor. Jev objevil William Thomson (lord Kelvin) v roce 1856. Tehdy šlo však jen o několikaprocentní hodnotu celkového odporu vodiče. Obří magnetorezistence – ovlivnění elektrického odporu látky interakcí spinu elektronu s magnetizací materiálu. Je-li materiál nanesen v několika nanovrstvách, může měnící se magnetizace některé z vrstev podstatnou měrou ovlivnit elektrický proud protékaný obvodem. Toho lze využít například ke čtení informace zapsané na harddisku. První čtecí hlava založená na tomto principu byla vyrobena v roce 1997. Spintronika – spinová elektronika neboli magnetoelektronika. Jde o technologii využívající kvantové vlastnosti spinu elektronu, případně celého atomu. Zatímco klasická elektronika využívá ve všech technologiích pouze náboj elektronu, ve spintronice se kromě náboje elektronu využívá i orientace jeho spinu. První spintronické logické obvody byly zkonstruovány v roce 1997.

Objev tohoto jevu byl velkým překvapením. Většina fyziků nevěřila, že podobný jev je fyzikálně možný. Původní experimenty byly prováděny za velmi nízkých teplot a s velmi silnými magnetickými poli. Zdálo se, že jeho komerční využití je nereálné. V IBM ale rychle pochopili, že tento jev otvírá brány zcela novým technologiím pro ukládání a čtení dat. Senzory založené na GMR umožňují podstatné zvýšení hustoty záznamu na magnetických médiích, například pevném disku. Na čtverečním centimetru bylo možno s klasickými senzory uložit maximálně asi 0,5 Gb, s GMR senzory se okamžitě hranice posunula na trojnásobek, kde se pochopitelně ale nezastavila. Prvním diskem s hlavou s GMR senzorem byl IBM Desktar 16GP s kapacitou 16,8 GB, uvedeným na trh před deseti lety. I současné velké disky využívají tohoto jevu.

Albert Fert (*1938)

Albert Fert se narodil 7. března 1938 ve francouzském Carcassonne. Roku 1962 vystudoval matematiku a fyziku na pařížské Ecole Normale Supérieure a o rok později získal magisterský titul na Pařížské univerzitě. V roce 1970 dosáhl titulu PhD na renomované univerzitě Paris-Sud 11, kde i nadále zkoumal fyziku pevných látek. Od roku 1995 je vědeckým ředitelem fyzikálního oddělení francouzského Národního centra pro vědecký výzkum. Věnuje se fyzice pevných látek, zejména kovům, magnetizmu, magnetickým nanostrukturám a spintroniceSpintronika – spinová elektronika neboli magnetoelektronika. Jde o technologii využívající kvantové vlastnosti spinu elektronu, případně celého atomu. Zatímco klasická elektronika využívá ve všech technologiích pouze náboj elektronu, ve spintronice se kromě náboje elektronu využívá i orientace jeho spinu. První spintronické logické obvody byly zkonstruovány v roce 1997.. Jeho největším objevem je jev obří magnetorezistenceObří magnetorezistence – ovlivnění elektrického odporu látky interakcí spinu elektronu s magnetizací materiálu. Je-li materiál nanesen v několika nanovrstvách, může měnící se magnetizace některé z vrstev podstatnou měrou ovlivnit elektrický proud protékaný obvodem. Toho lze využít například ke čtení informace zapsané na harddisku. První čtecí hlava založená na tomto principu byla vyrobena v roce 1997., ale významné jsou i jeho další příspěvky v oboru spinelektroniky. Albert Fert je ženatý a má dvě děti.

Peter Grünberg (*1939)

Peter Grünberg se narodil 18. května 1939 v Plzni. V roce 1946 byl odsunut do Lauterbachu v Hessensku. Vystudoval na Technické univerzitě v Darmstadtu v roce 1966, kde o tři roky později obdržel i PhD. V sedmdesátých a osmdesátých letech působil na několika univerzitách v Kanadě, USA, Německu a Japonsku. Habilitoval na Kolínské univerzitě roku 1984. Již od roku 1972 byl členem Výzkumného centra v německém Jülichu, kde se věnoval fyzice pevných látek, zejména tenkých vrstev a magnetizmu v mnohavrstvých strukturách. Na stopě jevu obří magnetorezistence byl již od roku 1986, ale objevit se mu ho povedlo až o dva roky později. V roce 1994 získal patent na zařízení založené na tomto jevu. V roce 2004 odešel do důchodu.

Obří magnetorezistence a její využití

Elektrický proud v běžných vodičích je zpravidla veden elektrony. Tyto částice mají nenulový spinSpin – vlastní (vnitřní) rotační moment částice souvisící s Lorentzovou symetrií. Pro částici v centrálním poli se přirozeným způsobem skládá s momentem hybnosti. Částice s nenulovým spinem se mohou chovat jako elementární magnetické dipóly μ, aniž by měly elektrický náboj. Takové částice reagují na vnější magnetická pole., a proto i nenulový magnetický moment. Každý elektronElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10⁻³¹ kg a elektrický náboj 1,6×10⁻¹⁹ C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. se proto chová jako malý elementární magnet. Pokud prochází elektrony feromagnetickým prostředímFeromagnetikum – materiál, ve kterém je energeticky výhodné, aby sousední magnetické momenty měly shodný směr. Tyto látky, například železo, jsou schopné značné magnetizace ve vnějším magnetickém poli. Po odstranění magnetického pole si ponechávají permanentní magnetizaci, tj. zůstávají zmagnetizované i bez vnějšího magnetického pole. Typickým příkladem je krystalické železo, kobalt či oxid chromičitý CrO₂., jsou elektrony s opačnou orientací magnetického momentu v materiálu silně rozptylovány a naopak elektrony se souhlasnou orientací magnetického momentu snadno procházejí. Změnou magnetizace materiálu tak lze významnou měrou ovlivnit elektrický odpor materiálu. Nejvíce se tento jev (nazývaný obří magnetorezistence, v angličtině GMR – Giant Magnetoresistance) dá využít v mnohavrstvých strukturách, kde jedna vrstva má pevně danou magnetizaci a sousední magnetická vrstva může měnit orientaci magnetizace. Souhlasně orientované vrstvy mají malý elektrický odpor, nesouhlasně orientované naopak velmi veliký (viz obrázek).

Představme si sendvič dvou magnetických vrstev (1, 3) oddělených vodivou nemagnetickou vrstvou (2) o tloušťce několika nanometrů.

A. Magnetizace obou vrstev na levém obrázku míří směrem vzhůru. Elektrony se souhlasně orientovanými spiny (nakresleny červeně) téměř nepodléhají rozptylu a oběma vrstvami bez problémů projdou. Elektrony s opačně orientovaným spinem (nakresleny bíle) jsou rozptylovány v obou vrstvách a sendvičem téměř neprojdou. Celkově touto konfigurací projde zhruba polovina původních elektronů.

B. Magnetizace vrstev na pravém obrázku je opačná. Polovina elektronů (červeně) je rozptylována na vzdálenější vrstvě a druhá polovina (bíle) je rozptylována na bližší vrstvě. Elektrony jsou rozptylovány vždy v té vrstvě, kde má jejich spin směr proti magnetizaci vrstvy. Výsledkem je, že v tomto případě sendvičem neprojdou téměř žádné elektrony.

Právě tento jev je využíván komerčně ve čtecích hlavách harddisků nebo v různých senzorech měnícího se magnetického pole. Jedna vrstva má pevně danou magnetizaci a druhá vrstva mění magnetizaci pohybem nad magneticky zapsanými daty. Protékající proud je tak indikátorem toho, jaká hodnota byla na disku zapsána. Tato metoda čtení je výrazně rychlejší než dříve používaná smyčka, ve které se indukoval elektrický proud proměnným polem disku. Čtecí hlava je navíc neporovnatelně menší a citlivější. Proto obří magnetorezistence přinesla průlom v technologii výroby harddisků a obecně miniaturních senzorů magnetického pole. Dnešní zařízení využívají sendviče z mnoha nanovrstev a jev obří magnetorezistence se využívá jak ke čtení, tak k zápisu dat. Ve skutečném GMR senzoru nebo čtecí hlavě prochází elektrický proud ve směru rovnoběžném s vrstvami, nikoli kolmo na ně. Tím se zvýší elektrický odpor součástky. Elektrony tekoucí velmi tenkou vodivou nemagnetickou vrstvou pronikají i do sousedních feromagnetických vrstev a právě tyto elektrony způsobí měřenou změnu odporu.

Klip týdne: Obří magnetorezistence (GMR)

Obří magnetorezistence (GMR). Jev ovlivnění elektrického odporu látky interakcí spinu elektronu s magnetizací materiálu. Je-li materiál nanesen v několika nanovrstvách, může měnící se magnetizace některé z vrstev podstatnou měrou ovlivnit elektrický proud protékaný obvodem. Elektrony totiž procházejí snadno vrstvou jejíž magnetizace je souhlasná s jejich spinem a obtížně procházejí vrstvou, jejíž magnetizace je opačná vzhledem k jejich spinu. Toho lze využít k výrobě miniaturních magnetických senzorů reagujících na měnící se magnetické pole svým odporem a tedy protékaným proudem. Tyto senzory se dnes využívají zejména ve čtecích hlavách harddisků. V animaci nejprve vidíte tok elektronů procházející dvěma magnetickými vrstvami (žlutá a modrá). Pokud je magnetizace obou vrstev shodná, projde přibližně polovina elektronů. Pokud je magnetizace opačná, neprojde téměř žádný. V další části vidíte GMR senzor, ve kterém protékající elektrický proud rozsvěcuje svítící diodu. Povšimněte si, jak senzor reaguje na měnící se magnetické pole. (mpg, 8 MB)

Odkazy