CSERTI JÓZSEF

Nobel-díj az ellenállásért


A Svéd Tudományos Akadémia 2007-ben a fizikai Nobel-díjat megosztva Albert Fert-nek és Peter Grünbergnek ítélte oda az óriás mágneseses ellenállás felfedezéséért. [1] Ennek a jelenségnek az alkalmazásai forradalmasították a merevlemezen (angolul hard disk) tárolt információ kiolvasásának technikáját. A felfedezés kiemelkedő szerepet játszik a különböző mágneses érzékelők és egy új generációjú elektronika kifejlődésében is. Az óriás mágneseses ellenállás jelenségének alkalmazása a nanotechnológiai alkalmazások kezdetének tekinthető.  A díj értéke 10 millió svéd korona, amelyet egyenlően osztottak meg a két díjazott között. 

Peter Grünberg német állampolgár, 1939-ban született Pilsenben. PhD-fokozatát 1969-ben Darmsadtban, a Technische Universitäten szerezte. 1972 óta professzor Jülichben, az Institut für Festkörperforschungnál (https://www.fz-juelich.de
Albert Fert francia állampolgár, 1938-ban született Carcassonne-ban. PhD-fokozatát 1970-ben Orsayban, az Université Paris-Sudön szerezte, és 1976 óta ugyanitt professzor. 1995 óta a CNRS/Thales laboratórium tudományos igazgatója Orsayban (https://www2.cnrs.fr)

Az elmúlt években rohamosan nőtt a számítógépek memóriájának kapacitása, ami lehetővé tette a gépek méretének csökkentését, a laptopok, a pendrive-ok, illetve különféle MP3-lejátszók elterjedését. Ma már az otthon használatos eszközök memóriája elérheti a terabyte-ot (1000 milliárd byte-ot) is. Az egyre kisebb méretű és egyre nagyobb tárolókapacitású diszkeken lévő információk kiolvasásához új fizikai elven működő olvasófejekre volt szükség. A mai olvasófejek készítése a tavalyi fizikai Nobel-díjjal jutalmazott két fizikusnak közel húsz évvel ezelőtti felfedezésén, egy új fizikai effektuson, az óriás mágneseses ellenálláson, röviden GMR-en alapul. (A GMR az angol Giant Magnetoresistance rövidítése.) Az óriás mágneseses ellenállás felfedezése utat nyitott annak a viharosan fejlődő új technológiának, ami lehetővé tette a merevlemezek miniatürizálását. A felfedezés kitűnő példát mutat arra, hogyan válik az alapkutatásban elért eredmény viszonylag rövid időn belül technológiai alkalmazássá.

Baibich és munkatársai [2] Párizsban és ezt követően Barnas és munkatársai [3] Jülichben egy olyan szendvicsszerkezet elektromos ellenállását mérték, amelyben ferromágneses és nem mágneses rétegek felváltva követik egymást. Mindkét csoport ferromágneses anyagként vasat (Fe) használt, melynek egy meghatározott irányban nagy a mágnesezettsége. Nem mágneses anyagnak krómot (Cr) használtak. Az egyes rétegek vastagsága nanométer nagyságrendű volt, ami néhány atomi rétegnek felel meg. A rétegeken átfolyó áramot mérve azt tapasztalták, a mért ellenállás nagymértékben függ attól, hogy milyen irányú az egyes ferromágneses rétegekben a mágnesezettség. Az ellenállás akkor a legnagyobb, ha a mágnesezettség felváltva ellentétes beállású az egyes ferromágneses rétegekben, és akkor a legkisebb, ha a mágnesezettség azonos irányú. Grünberg és munkatársai Fe/Cr/Fe hármas réteget használtak, és szobahőmérsékleten a két ellenállásérték közti relatív különbség körülbelül 1,5% volt. Fert csoportja több réteget (30, illetve 60 darab Fe/Cr/Fe hármas réteg egymás mellett) készített, és a kísérleteket alacsony, 4,2 K hőmérsékleten végezte. A több rétegnek és az alacsony hőmérsékletnek köszönhetően ők jóval nagyobb, körülbelül 50%-os mágneses ellenállás-változást tapasztaltak. Fert csoportja a megfigyelt effektust el is nevezte óriás mágneseses ellenállásnak. Grünberg szintén felismerte a jelenség technikai alkalmazásának jelentőségét, és azonnal szabadalmaztatta a felfedezést. 

Az ellenállás, a mágnesezettség és a spin

A fémekben az elektromos áramot az elektronok mozgása hozza létre. A fémek elektromos ellenállása részben abból származik, hogy az elektronok szóródnak az anyagban lévő szennyezőkön, illetve a véges hőmérséklet miatt gyorsan rezgő kristályrács atomjain. Minél több szennyező van a fémben, vagy minél magasabb a hőmérséklete, annál nagyobb az ellenállása.

A mágneses anyagok mágnesezettsége az elektron spinjével kapcsolatos. A múlt század elején kidolgozott kvantummechanika nemcsak az atomok viselkedését írta le helyesen, de fény derült az elektron különös tulajdonságára is, a spinre. Kezdetben úgy képzelték el, hogy minden egyes elektron saját tengelye körül forog, mint egy búgócsiga, és saját mágneses momentuma ebből a forgásból származik. (A spin szó angol jelentése: pörgés, forgás.) A klasszikus elképzelés szerint a mágneses momentumnak egy adott irányra vett vetülete tetszőleges lehet. A kvantummechanika ezzel szemben - a kísérletekkel egyezően - azt állítja, hogy az elektron spinjének mérhető vetülete egy adott irányra mindig csak két rögzített nagyságú, de különböző előjelű, ún. kvantált értéket vehet fel. A mágneses térbe helyezett elektronnak a mágneses momentumával arányos spinje vagy a térrel azonos, vagy ellentétes irányba mutat. Úgy is mondhatjuk, hogy az adott irányhoz képest a spin felfelé vagy lefelé áll. Mágneses anyagokban, például a ferromágneses vasban a fel-, illetve lefelé álló spinű elektronok száma különböző, a spinpolarizáció nem zérus. Ez a különbség felelős az anyag mágnesezettségéért. Minél nagyobb a fel-, illetve lefelé álló spinű elektronok számának különbsége, annál nagyobb a mágnesezettség. A hőmérséklet növelésével csökken az anyag mágnesezettsége, és zérussá válik egy, az anyagtól függő kritikus hőmérséklet fölött, amit Curie-hőmérsékletnek neveznek. Jól ismert jelenség, hogy ha egy mágnest tűzbe dobunk, elveszti mágnességét. Szerencsére a Curie-hőmérséklet vasra 770 °C, kobaltra 1115 °C, nikkelre 354 °C, azaz jóval nagyobb a szobahőmérsékletnél, így a GMR-effektusban nem játszik szerepet. 

 A mágneses anyagokban az ellenállás függ az anyag mágnesezettségétől. Már Lord Kelvin megfigyelte pontosan 150 évvel ezelőtt, hogy bizonyos ferromágneses anyagok, például a vas, a kobalt vagy a nikkel ellenállása függ a külső mágneses tér irányától. A mintában folyó áram irányával párhuzamos irányú térben kisebb a mért ellenállás, mint az arra merőleges irányú térben. Ezt a jelenséget anizotróp mágneses ellenállásnak nevezik (rövidítve AMR, az angol anisotropic magnetoresistance alapján). A relatív eltérés azonban kevesebb mint 1%. Ennek ellenére a jelenséget a korábbi olvasófejekben, illetve mágneses szenzoroknál sikeresen alkalmazták. A jelenség fizikai magyarázata (és a jóval később felfedezett GMR-effektusé is) ismét a spinben rejlik. Ferromágneses anyagban a felfelé és a lefelé álló spinű elektronállapotok eltérő száma nemcsak véges mágnesezettséget eredményez, hanem az anyag ellenállása is jelentősen eltér a kétféle spinállapotú elektronra. Kevesebb vezetésben részt vevő elektron nagyobb ellenállást jelent. A külső mágneses tér irányától vagy nagyságától függően a kétféle spinállapotú elektronok számának különbsége változhat, és így az anyag ellenállása is. A legegyszerűbben úgy képzelhetjük el, hogy az elektromos áram a felfelé és a lefelé álló spinű elektronok árama, és a mágneses ellenállás a kétféle állapotú spinre jelentősen különböző. A ferromágneses anyagon áthaladó elektron átjutási „esélye” erősen függ az elektron spinbeállásától, az ellenállás függ az elektron spinjétől. Ha a spin iránya azonos a mágnesezettség irányával, akkor az ellenállás minimális, ha ellentétes irányú, akkor az ellenállás maximális. 

Az óriás mágneseses ellenállás

A fenti alapismeretek alapján már megérthetjük a GMR-effektust. A Természet Világa hasábjain nemrégen már írtam az óriás mágneseses ellenállásról a spintronika, egy új generációs elektronika kezdetét jelentő kutatási területnek a kapcsán. [4] Ennek ellenére, talán a jelenség jobb megértésének kedvéért, érdemes a cikk néhány gondolatát ismét kiemelni, illetve továbbiakkal bővíteni. 

 A GMR-szerkezetben a mért ellenállás lényegében a két ferromágneses réteg mágnesezettségének az iránya közti különbségtől függ. Ha a réteg széléhez kapcsolódó elektródán bejövő elektronok spinje polarizálatlan, akkor a két lehetséges spinbeállásnak megfelelően átlagosan a spinek egyik fele felfelé, másik fele lefelé mutat. Amint korábban láttuk, az elektronnak egy rétegen való átjutási esélye, valószínűsége maximális, az ellenállás minimális, ha a spinje ugyanolyan irányú, mint a ferromágneses anyag mágnesezettségének az iránya. Ha a két ferromágneses rétegben a mágnesezettség iránya azonos, akkor a bejövő elektronok fele (azok az elektronok, melyeknek a spinje azonos irányú a ferromágnes mágnesezettségével) mindenképpen könnyedén, csaknem szóródás nélkül átjuthat a két ferromágneses rétegen (1/a ábra). Ebben az esetben a mért ellenállás minimális. Ugyanakkor ellentétes mágnesezettségű ferromágneses rétegek esetén, függetlenül a spinbeállástól, vagy az egyik, vagy a másik rétegben az elektron szóródása erősebb lesz, és így megnő a mért ellenállás is (1/b ábra). Ez a fizikai alapja a GMR-effektusnak. Az egész hasonlatos egy polarizációs kísérlethez, amikor egy polarizátor átengedi a fényt, de a következő keresztirányban polarizált tartományon nem jut át a fény. 

1. ábra. A felfelé mutató spinű elektronok szóródás nélkül (egyenes vonal) átjutnak mindkét ferromágneses rétegen, a mért ellenállás minimális (a); mind a fel-, mind a lefelé álló spinű elektronok szóródnak (törött vonal), így az ellenállás maximális (b). A Fe-rétegekben lévő vastag nyilak a mágnesezettség irányát mutatják az adott Fe-rétegben

 Felmerül a kérdés: hogyan változtathatjuk/kapcsolhatjuk át az egymáshoz viszonyított mágnesezettséget a két ferromágneses anyagban? Egy lehetséges megoldás a 2. ábrán látható ún. spinszelep-szerkezet (angolul: spin valve). Az ábrán a FeMn-réteg antiferromágneses: az egyes kristálysíkokban a mágnesezettség felváltva ellentétes irányú. A FeMn utolsó kristálysíkja érintkezik a Co-réteggel, amelyben a mágnesezettség irányát a FeMn utolsó kristálysíkjában lévő mágnesezettség állítja be. Így a Co-réteg mágnesezettsége határozott irányú, ezt tekinthetjük az egész spinszelep-szerkezetben referenciarétegnek. Az ötvözött NiFe-réteg mágneses szempontból "puha" anyag, azaz nagyon kis mágneses térrel változtatható benne a mágnesezettség iránya (már 0,01 tesla is elég). A Co- és a NiFe-réteg közötti megfelelően vékony Cu-réteg arra szolgál, hogy meggátoljuk a mágneses csatolást, azaz a kölcsönhatást a két réteg között. Az alsó Ta-réteg szerepe csak annyi, hogy arra könnyen lehet más anyagot növeszteni, míg a felső Ta záróréteg: az oxidáció ellen véd. Az egész szerkezet hordozója egy 1 mm vastag Si-lap. A spinszelep legfontosabb, aktív része a Co-, a Cu- és a NiFe-réteg. Ez a tartomány felelős az előzőekben leírt GMR-effektusért. Megjegyezzük, hogy az aktív tartomány mindössze 10 nm, és az egész kb. 30 nm vastagságú! (a nm a mm 1 milliárdodrésze) A spinszelep alkalmas kis mágneses terek előjelének mérésére, hiszen a puha réteg mágnesezettségének beállításával a szelep elektromos ellenállása változtatható. 

2. ábra. Spinszelep GMR-szerkezet. A vastag nyilak a mágnesezettség lehetséges irányát mutatják a Co-, illetve a NiFe-rétegben

 Az IBM cég munkatársai Stuart Parkin vezetésével több tízezer különböző anyagból és vastagságú rétegből készült szendvicsszerkezetet próbáltak ki. Így sikerült kiválasztani azt a szerkezetet, amelyik a legnagyobb GMR-effektust mutatja szobahőmérsékleten, valamint a gyakorlatban alkalmazott gyenge mágneses tér mellett is. Ma már minden számítógép olvasófejében ilyen GMR-alapú spinszelep található. A fej rendkívül érzékeny a mágneses tér kis változására is. A diszk, amelyen az információ mágnesesesen van tárolva, az olvasófej előtt elhaladva változtatja a spinszelep ellenállását, és így az információ az áram változásaként olvasható ki. A GMR-alapú szerkezeteket használják mágneses érzékelőkhöz, szilárdtest-iránytűkhöz, aknakereső detektorokhoz is. Az érdeklődő olvasóknak javasoljuk, hogy tekintse meg az [5]-ben adott internetcímet, ahol a GMR-effektusról kitűnő összefoglaló és animációk is találhatók angol nyelven. 

További fejlemények: az alagút mágneses ellenállás és a spintronika

A legutóbbi kísérletekben két ferromágneses réteget egy vékony, néhány atomi réteg vastagságú szigetelő- vagy félvezető anyag választ el. Ilyen rétegszerkezetekben is sikerült kimutatni a GMR-effektust, és a szerkezet ellenállását alagút mágneses ellenállásnak nevezik (Tunneling Magnetoresistance, rövidítve TMR). Az "alagút" szó arra utal, hogy ha a középső réteg vastagsága megfelelően vékony, akkor az elektron alagúteffektussal, mintegy "átszivárog" a középső rétegen. Az elektron spinjéhez hasonlóan az alagúteffektus is tisztán kvantummechanikai jelenség. Klasszikusan az elektron nem juthat át egy szigetelőn, de a kvantummechanika szerint elegendően vékony szigetelőanyagon az elektron átjutásának valószínűsége nem zérus. Mindennapi életünkben is fontos szerepet játszik az alagúteffektus. Például a konnektorba helyezett villásdugón az áram annak ellenére átfolyhat, hogy köztük mindig van egy szigetelőnek tekinthető oxidréteg, azaz az érintkezés nem tökéletes a konnektor és a villásdugó között. 

 A kísérletekben számos anyagot kipróbáltak (pl. Fe/amorf Ge/Co, Ni/NiO/Fe). Ma már elég általánosnak tekinthető, hogy a kétféle mágnesezettség-irányhoz tartozó relatív ellenállás-változás, a GMR-effektus már szobahőmérsékleten is elérheti az 50%-ot, sőt Fe/MgO/Fe szendvicsszerkezetben 200%-ot is megfigyeltek. A kutatók és mérnökök már dolgoznak az ilyen nagy ellenállás-változást mutató anyagok alkalmazásán.

 Az univerzális memóriák elterjedése újabb jelentős változást hozhat a számítógépiparban. A merevlemezen állandóan tárolt információk feldolgozásához szükség van egy olyan gyors memóriára, a véletlen hozzáférésű memóriára (rövidítve a jól ismert RAM-ra, amely az angol random access memory rövidítése), ami a számítógép működéséhez nélkülözhetetlen információkat tárolja. A mai RAM-ok hátránya, hogy az információ nem tárolható állandóan bennük. Ha esetleg áramszünet lép fel, akkor szövegszerkesztésnél elvész a teljes szöveg. Csak a "mentés" gomb megnyomásával menthetjük el a szöveget a merevlemezre. A tervek szerint a TMR alapján működő memóriákban, az ún. MRAM-ban (magnetic RAM-ban) az információ beírása és kiolvasása is egyaránt lehet gyors hozzáférésű. Így az MRAM-ot használhatnánk RAM-ként, s az információ nem veszne el a gép kikapcsolásakor. Az MRAM új típusú, univerzális memória lehet a közeljövőben, és kiszoríthatja a hagyományos RAM-memóriákat és a merevlemezeket. Várhatóan ezeket az univerzális memóriákat kicsinységük miatt jól használhatjuk majd számos területen, például az autókban, vagy a konyhában, ahol az egyes elektronikai elemek működéséhez miniszámítógépekre van szükség. 

 Az óriás mágneses ellenállás felfedezése nemcsak látványos technológiai alkalmazáshoz vezetett, hanem egy teljesen új kutatási terület, a spintronika alapját is megteremtette. A hagyományos elektronikai eszközök működése az elektronok töltéseinek áramlásán alapul. Az elektron spinjének nincs szerepe a működésben, a töltések száma és energiája határozza meg az eszköz viselkedését. Ugyanakkor az elképzelések szerint sokkal hatékonyabb eszközök készíthetők, ha az elektronok spinjét is sikerül szabályozni. Olyan logikai eszközök készíthetők, melyek sokkal gyorsabbak és kevesebb hőt termelnek, azaz hűtésük könnyebben megoldható. A spintronika iránt érdeklődő olvasónak a Természet Világa hasábjain megjelent írásunkat ajánljuk. [4] 

Köszönetnyilvánítás. Köszönetemet szeretném kifejezni Geszti Tamásnak és Dávid Gyulának a kézirat elolvasása után javasolt hasznos tanácsaiért.
 

Irodalom

1. A díjazottakról sok hasznos információ található a https://www.nobel.se honlapon. 
2. M. N. Baibich, J. M. Broto, A. Fert, F. Nguyen van Dau, F. Petroff, P. Eitenne, G. Creuzet, A. Friederich, J. Chazelas: Giant Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic Superlattices, Phys. Rev. Lett. 61, 2472 (1988). 
2. G. Binasch, P. Grünberg, F. Saurenbach, W. Zinn: Enhanced magnetoresistance in layered magnetic structures withantiferromagnetic interlayer exchange, Phys. Rev. B 39, 4828 (1989). 
4. Cserti József: Spintronika. Egy sokat ígérő szójáték, Természet Világa, 2005. szeptember, 386. 
5. https://www.research.ibm.com/research/gmr.html


Természet Világa, 139. évfolyam, 4. szám, 2008. április
https://www.termvil.hu/ 
https://www.chemonet.hu/TermVil/