Gigantisk magnetoresistans - Nobelpris i fysik

Det blev alltså gigantisk magnetoresistans (GMR) som tog hem årets Nobelpris i fysik. Det handlar om hur små magnetfält kan ge stor inverkan på elektrisk resistans, mer om det nedan. GMR är extra intressant av flera anledningar: För det första så är det nog ett av de snabbaste förloppen från upptäckt till produkthylla. Det tog nio år från Peter Grünbergs experiment 1988 tills IBM introducerade sin 16.8 GB-hårddisk med GMR-läshuvud till konsumenterna. För det ändra är GMR en föregångare till spintronik som mycket väl kan leda till nästa revolution inom nanoteknologi/elektronik. Ett par ord om det på slutet.

Vad är då GMR? GMR är en effekt som man finner i transport av elektroner mellan tunna skikt av magnetiska material. Den bygger på att sannolikheten att en elektron skall kunna ta sig från ett skikt till ett annat beror på hur många lediga tillstånd det finns för elektronen i det nya skiktet, detta kallas Fermis gyllene regel och är en allmän regel. I ett ferromagnetisk material finns en energiskillnad mellan elektroner med spinn upp och spinn ner (relativt magnetens riktning) och detta ger en skillnad i antalet fria tillstånd vid Fermienergin som är den energi som de rörliga elektronerna har. I GMR utnyttjar man på ett listigt vis transporten mellan två ferromagetiska material separerade av ett tunt ickemagnetiskt skikt. När de två magnetiska skikten har magnetfält som pekar åt samma håll så är resistansen låg. När magnetfälten vrids relativt varandra blir det svårare för elektronerna att ta sig fram och resistansen ökar. Den är som högst när magnetfälten är motriktade.

En annan effekt man utnyttjar är att om det ickemagnetiska lagret är tillräckligt tunt så kommer fälten att vilja peka åt motsatt håll, och inte åt samma håll som är det vanliga. Om man fäster (pin) det ena lagrets riktning genom att sätta det direkt på en tjockt magnetiskt lager och låter det andra magnetiska skiktet kunna ändras fritt så får man en sorts magnetisk ventil. Normalt är resistansen hög, men med ett (svagt) externt fält kan man vrida det fria lagrets magnetiska vektor och på så sätt minska resistansen. Det är en mycket känslig effekt, och det utnyttjar man i läshuvuden till hårddiskar. En animation hos IBM visar hur.

Spintronik då? I spintronik utnyttjar man att i vissa system rör sig elektroner med ett visst spinn lättare än de med motsatt spinn. Det som gör spintronik så lovande är att byta spinn på en elektron är en process som är snabb och kräver lite energi. I dagens halvledarteknik stänger av och sätter på en transistor genom att med hjälp av ett elektriskt fält knuffe bort laddningar från ledningskanalen i transistor. Om man istället kan stänga av transistorn genom att byta spinn på elektronern skulle processen kunna göras mycket snabbare. Där kan nästa datorrevolution ligga.

Andra bloggar om: Nobelpriset, fysik, vetenskap, nanoteknologi.