Albert Fert Urodził się w 1938 roku w Carcassonne w południowej Francji. W 1962 Fert ukończył paryską szkołę Ecole Normale Superieure, gdzie zdobył dyplom z matematyki i fizyki. Następnie był asystentem na Uniwersytecie w Grenoble oraz obronił tytuł magistra na Sorbonie (1963). W latach 1964-65 odbywał służbę wojskową, po której przeniósł się na Uniwersytet Paris-Sud w Orsay, gdzie zajmował się problemami fizyki metali i magnetyzmu. Tu w 1970 roku obronił pracę doktorską na temat właściwości przewodzących żelaza i niklu. Na tej uczelni od 1976 roku pracuje jako profesor fizyki. Jest też dyrektorem naukowym wspólnego laboratorium Narodowego Centrum Badań Naukowych (CNRS) oraz uniwersyteckiej grupy badawczej Thales.

Nagrodę Nobla z fizyki w 2007 roku otrzymali Albert Fert (Francja) i Peter Grünberg (Niemcy) za odkrycie efektu gigantycznego magnetooporu, dzięki któremu na przykład twarde dyski mogą być coraz pojemniejsze.

Jedną funkcji komputera zapisywanie i przechowywanie informacji. Urządzeniem do tego służącym jest dysk twardy. Jest to zazwyczaj krążek (najczęściej kilka) pokryty warstwą stopu ferromagnetycznego, wirujący w czasie pracy a ogromną prędkością. Pojedynczy bit (podstawowa jednostka informacji mająca dwa stany: zero lub jedynkę) jest zakodowany w postaci jednego z dwóch przeciwnych kierunków przeciwnych kierunków namagnesowania mikroskopijnego obszaru warstwy ferromagnetycznej. Bity są grupowane w bajty, te w sektory, sektory w koncentryczne ścieżki, nad którymi przesuwają się głowice. Gdy na twardym dysku zapisywane są dane, specjalny układ elektroniczny wysyła impulsy elektryczne do cewki. W ten sposób powstaje pole magnetyczne, które porządkuje poszczególne cząstki na powierzchni dysku. W przypadku odczytu danych następuje procedura odwrotna. Namagnesowana powierzchnia dysku indukuje prąd w cewce, który jest następnie przetwarzany przez układ elektroniczny napędu.

Peter Gruenberg Urodził się w 1939 roku w czeskim Pilznie. Po wojnie jego rodzina przeniosła się do Niemiec do Lauterbach w Hesji. Kształcił się na Uniwersytecie Johanna Wolfganga Goethego we Frankfurcie, a następnie na politechnice w Darmstadt. Później związał się z Instytutem Fizyki Ciała Stałego przy centrum badawczym Juelich, gdzie stał się wiodącym specjalistą w dziedzinie zjawisk magnetycznych zachodzących w cienkich warstwach.

W miarę zwiększania się informacji chcemy na jednym dysku zapisywać coraz więcej danych. Obszar zajmowany przez jeden bit staje się coraz mniejszy, a urządzenia do zapisu i odczytu danych stają się coraz subtelniejsze. Niestety, zmniejszenie obszaru przechowującego bit informacji osłabia pole magnetyczne na zewnątrz tego obszaru, co utrudnia odtworzenie.
Początkowo do zapisywania i odtwarzania informacji używano głowicę elektromagnetyczną. W 1980 roku wprowadzono głowice magnetooporowe. Wykorzystywały one efekt anormalnego magnetooporu (w skrócie AMR czyli Anomalous ManetoResistance). Mianem magnetooporu określa się zjawisko wpływu pola magnetycznego na oporność elektryczną przewodnika. Pole magnetyczne oddziałuje na każdy poruszający się elektron, powodując zakrzywienie jego toru. Zakłócenie polem magnetycznym ruchu wielu elektronów, przenoszących prąd elektryczny, zwiększa oporność przewodnika. jednak dla pół jakie występują w zapisie magnetycznym, to zwiększanie jest relatywnie niewielkie. Efekt staje się znacznie większy, gdy przewodnik jest wykonany z ferromagnetyku. Nazywamy go wówczas anomalnym magneto oporem.

Opór struktury żelazo/chrom/żelazo przy przeciwnych polach magnetycznych (u góry) i zgodnych (na dole). Kulki czerwone oznaczają elektrony o spinie zwróconym do góry, natomiast niebieskie o spinie zwróconym w dół. Elektrony o spinie zgodnym z polem magnetycznym łatwiej przedostają się przez żelazo, natomiast o przeciwnym trudniej. Ze schematu zastępczego po prawej stronie wynika, że opór przy przeciwnych polach magnetycznych jest większy niż przy zgodnych.

W 1988 roku Albert Fert i niezależnie Peter Grünberg odkryli zjawisko gigantycznego magnetooporu (GMR czyli Gigant MagnetoResistance). Występuje ono w strukturach złożonych z kilku metalicznych warstw, na przemian ferromagnetycznych i niemagnetycznych. W najprostszym wypadku są to trzy warstwy o grubościach rzędu nanometrów, np. żelazo - miedź (lub chrom) - żelazo, osadzone na grubszym, przewodzącym podłożu. Jeśli kierunki namagnesowania obu warstw żelaza są zgodne to takie swobodne elektrony swobodne przenikają z jednej warstwy do drugiej, gdyż w obu mają takie samo "otoczenie magnetyczne". Jeśli kierunki magnesowania warstw są przeciwne, wówczas elektron przenikając z jednej warstwy do drugiej musi dopasować się do nowego otoczenia i prawdopodobieństwo takiego zdarzenia jest mniejsze. W rezultacie dla prądu płynącego w poprzek warstw oporność struktury jest mniejsza w przypadku zgodnego namagnesowania obu warstw ferromagnetycznych, a większa w przypadku przeciwnym. Względna różnica oporności może dochodzić do kilkunastu procent, a niektórych przypadkach sięga nawet 200%.
Aby zrozumieć zjawisko gigantycznego magnetooporu trzeba uwzględnić spin elektronu czyli jego wewnętrzny moment pędu i związany z nim moment magnetyczny czyli własne pole magnetyczne spowodowane jakby "wirowaniem" elektronu wokół własnej osi. Prace teoretyczne pokazały, że przepływ prądu w ferromagnetycznych metalach przejściowych (żelazo, kobalt, nikiel) zależy od spinu elektronu, czyli jego wewnętrznego momentu pędu. Uczestniczące w przewodzeniu prądu elektrony ze spinem równoległym do zewnętrznego pola magnetycznego poruszają się z inną prędkością wzdłuż kierunku pola elektrycznego niż elektrony o spinie antyrównoległym. W rezultacie w ferromagnetykach mamy dwa rodzaje nośników prądu, o spinie w górę i o spinie w dół, z których jeden powoduje dobry przepływ prądu, zaś drugi dużo gorszy.
Rozpatrzmy strukturę składającą się z trzech cienkich warstw: żelazo (ferromagnetyk czyli metal posiadający właściwości magnetyczne), chrom (nieferrmoagnetyk) i żelazo tak jak na rysunku obok. Obie warstwy żelaza umieszczamy w polach magnetycznych, których kierunki można zmieniać. Gdy pole magnetyczne jest zwrócone w obu warstwach przeciwnie to elektrony o spinach do góry w jednej warstwie przedostają się łatwo a w drugiej trudno.

Gdy namagnesowanie warstw A i C ma taki sam kierunek to opór materiału maleje, płynie więc większy prąd i zapisany jest stan 1. Gdy namagnesowanie warstw A i C jest przeciwne to opór rośnie i prąd słabnie i zapisany jest stan 0.

Podobnie jest ze spinami skierowanymi w dół. Jeśli pole magnetyczne w obu warstwach żelaza jest na przykład skierowane do góry, to elektrony ze spinem zwróconym do góry przepływają łatwo. Co prawda elektrony ze spinem w dół napotykają na opór, ale całkowity opór takiego łączenia jest mniejszy niż przy polach zwróconych przeciwnie i płynie wtedy większy prąd. W praktyce wykonuje się wiele warstw żelaza (każda warstwa znajduje się w polu magnetycznym) przedzielonych warstwami nieferromagnetyka (np. chrom lub miedź) i wtedy różnice oporu są znacznie większe.
Aby wykorzystać gigantyczny magnetoopór, należało znaleźć sposób przełączania kierunków namagnesowania ferromagnetyku ze zgodnego na przeciwny i odwrotnie. Działając polem zewnętrznym łatwo jest zmienić namagnesowanie, ale równocześnie w dwóch warstwach. Jednym ze sposobów uzyskania efektu przełączania jest stosowanie warstw wykonanych z odpowiednio dobranych, różnych ferromagnetyków, Wtedy działając stosunkowo słabym polem magnetycznym, można zmienić kierunek namagnesowania tylko w jednej warstwie, czyli można przełączyć strukturę ze stanu mniejszej oporności do większej lub odwrotnie. Gdy płynie większy prąd to oznacza, że występuje stan 1, gdy mniejszy 0. Zjawisko gigantycznego magneto oporu po raz pierwszy zostało zastosowane w urządzeniu komercyjnym przez IBM w 1997, które rewolucyjnie zwiększyło pojemność dysków.
Struktury takie wykorzystuje się również jako czujniki pola magnetycznego, są one też montowane w urządzeniach madycznych - rozrusznikach, symulatorach nerwów, pompach insulinowych i aparatach słuchowych.
Odkrycie efektu gigantycznego magneto oporu zapoczątkowało rozwój nowej dziedziny nauki, spintroniki, która wykorzystuje nie tylko ładunek elektronów, ale również ich spin.
Warto podkreślić, że tworzenie cienkich warstw jest możliwe dzięki gwałtownie rozwijającej się w latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku technologii epitaksji z wiązki molekularnej (MBE), która pozwala kontrolować wzrost badanych struktur warstwa po warstwie, dzięki czemu fizycy tworzą supercienkie kanapki, składające się z kilku lub kilkudziesięciu warstw poszczególnych substancji. Każda warstwa ma grubość zaledwie kilku atomów. W tak mikroskopowych strukturach można odkryć efekty nieobserwowane w większej skali.

Opracowano na podstawie internetowych informacji zamieszczonych w serwisie naukowym Gazety Wyborczej i naukowym portalu Onet oraz artykułu zamieszczonym w nr 12/2007 czasopisma Świat Nauki.

---

« Poprzednia  Następna »