2007. aasta Nobeli füüsikapreemia anti avastuse eest, millel põhineval tehnoloogial töötavad tänapäeva kõvaketaste ülitundlikud lugemisseadmed ning mis on lubanud viimase kümnendi jooksul kõvaketaste mahtu oluliselt suurendada. Kuid tavaliselt me ju ei mõtle oma arvuti või multimeediaseadme ketasmälule enne, kui video- või muusikafailid selle ääreni täitnud on. Mis seal sees siiski toimub ja mis on sel seost Nobeli füüsikapreemiaga?
Hiigelmagnettakistus
Avastatud nähtus kannab nime hiigelmagnettakistus ehk gigantne magnettakistus ehk lühidalt GMR (inglise giant magnetoresistance). Lihtsalt öeldes on magnettakistus efekt, mil materjali elektritakistus muutub välise magnetvälja mõjul. Esimesena jälgis ja uuris seda nähtust William Thomson ehk Lord Kelvin aastal 1851. See nähtus on üldiselt omane ferromagneetikutele - materjalidele, mida me tunneme kui magneteid ja millest näiteks on tehtud kompassinõelad või tänu millele "liimivabad kleepsud" külmkappidele või metalltahvlitele kinnituvad.
Magnettakistusliku efekti suurus on lausmaterjalides paraku väga väike, tavaliselt alla sajandiku. Lord Kelvini esmauuringutele järgneva 137 aasta jooksul leiti vaid mõned materjalid, milles efekti suhteline suurus ületab veidi kahte sajandikku. Läbimurre tuli aastal 1988, kui Albert Fert ja Peter Grünberg avastasid hiigelmagnettakistuse, mille korral materjalide takistuse erinevus magnetväljas ja selle puudumisel võib olla isegi üle saja protsendi. Nobelistide alusuuringutest lähtudes arendas IBM vähem kui kümne aastaga välja ülitundlikud magnetbittide lugemisseadmed ning tõi turule uue põlvkonna kõvakettad. Tänaseks on hiigelmagnettakistusel põhinev tehnoloogia tavaline arvutites ning suurema infomahuga mp3-mängijates.
Enne tunti magnettakistust
Tuntuimad ferromagneetikud on raud, koobalt ja nikkel. Nende materjalide omapäraks on asjaolu, et lähestikku olevate aatomite magnetmomendid joonduvad spontaanselt samas suunas. See on puhtalt kvantmehaaniline efekt, klassikalise füüsika järgi joonduks kaks vastastikmõjus magnetmomenti alati vastassuunaliselt. Suvaline rauatükk tavaliselt magnet siiski ei ole, sest aatomite magnetmomentide samasuunalisel joondumisel on teatud piiratud ruumiulatus - materjalis moodustuvad ühesuunalistest magnetmomentidest mikrodoomenid, mis on orienteeritud kõikvõimalikes suundades, ja nii on kogu materjali magnetmoment null. Aga välises magnetväljas orienteeruvad doomenid välja sihis ja kogu materjal muutubki magnetiks, jäädes selleks ka välise välja eemaldamisel. See efekt on olnud infosalvestuse aluseks magnetlintide leiutamisest saati. Magnetdoomenid kannavad infot ka arvutite kõvaketastel ning mida väiksemate doomenite orientatsiooni on õnnestunud piisavalt kiiresti ja täpselt "maha lugeda", seda infotihedamaks on muutunud ka kõvakettad.
Mis puutub siia aga magnettakistus? Teatavasti avastas Michael Faraday juba 19. sajandi esimesel poolel, et elekter ja magnetism on seotud nähtused. Muutuv magnetväli põhjustab elektrijuhis voolu ja elektrivool omakorda tekitab magnetvälja. Just nendel seostel põhineb andmesalvestus klassikalistes magnetseadmetes, milles magnetlindile kirjutatava info salvestuseks-lugemiseks olid esmalt kasutusel miniatuursed elektrijuhtmetest keritud poolid. Nende pisendamisel olid aga omad piirid, mille ületamiseks tuligi magnetkandjale salvestatud bittide lugemiseks kasutusele võtta materjalide sisimas toimuv. Esmalt, aastal 1991, võeti kasutusele tavaline lausmaterjalides esinev magnettakistuslik efekt, kuid tõeliselt gigantselt kokkupakitud info mahalugemiseks tuli eelnevalt luua täiesti uued, mitmekihilised tehismaterjalid.
Mõlema nobelisti esmauuringutes kasutati uute materjalide tegemisel molekulaarkimp-epitaksiat (MBE) - õhukeste kilede saamise tehnoloogiat, millele pani aluse eelnev vaakumtehnoloogia areng ning mis töötati välja 1970. aastatel pooljuhtmaterjalide tootmiseks. Seejuures valmistati ning uuriti laminaatmaterjale, milles paiknevad vaheldumisi kahe erineva pooljuhi üliõhukesed kihid, ning näidati, et sellistel superstruktuuridel esineb lausmaterjalidest oluliselt erinevaid elektronomadusi. Üsna varsti hakati küpseks saanud molekulaarkimp-epitaksia tehnoloogiat aga kasutama ka teiste materjalide jaoks, sealhulgas metallide üliõhukeste kihtide ja nende laminaatstruktuuride valmistamiseks. Seejuures lõid algusest peale aktiivselt kaasa ka mõlemad laureaadid.
Sarnased olid ka preemiale viinud esmatöödes uuritud konkreetsed materjalid, mis koosnesid õhukestest magnetilistest rauakihtidest vaheldumisi veel õhemate mittemagnetiliste kroomikihtidega. Mõlema kihi paksus oli alla kümne nanomeetri, kusjuures kihtmaterjali magnetomaduste suhtes oli eriti kriitiline kroomi vahekihi paksus, tavaliselt 12 nm, mis vastab vaid 3-6 aatomkihile. Selliseid, erinevate metallide kihilisi struktuure uurisid 1980. aastate keskel mitmed uurimisrühmad eesmärgiga leida uusi, lausmaterjalidele mitteomaseid magnetomadusi. Seejuures leiti ka magnetkihtide antiferromagnetilise sidususe ehk AFC (inglise antiferromagnetic coupling) efekt, mil mittemagnetilise kihiga eraldatud magnetkihtide momendid olid vastassuunalised. Laureaadid leidsid 1988. aastal tehtud töödes seejuures esimesena, et AFC struktuuride takistuse muutus magnetväljas on ülisuur.
Ebatavaline orientatsioon
Milles siis hiigelmagnettakistuse efekt seisneb? Lihtsalt öeldes - kui kahe magnetkihi vahel on väga õhuke mittemagnetiline kiht, siis need kihid "tunnevad" teineteist läbi selle õhukese vahekihi ning teatud vahekihi paksustel orienteeruvad magnetkihtide momendid mitte samas suunas, nagu lausmagnetitele kombeks, vaid vastas- või ristisuunas. Milline see ebatavaline orienteeritus on, sõltub vahekihi täpsest paksusest, mis võib olla vahemikus mõnest kuni mõnekümne aatomkihini. Paksema vahekihi korral eraldatud magnetkihid teineteist enam ei "tunne" - mõistetav, sest nad asetsevad teineteisest liiga kaugel.
Tehniliste rakenduste jaoks on huvitavaim just selline vahekihi paksus, mil kahe äärmise magnetkihi magnetmomendid orienteeruvad iseeneslikult vastassuundades. Just siis ilmneb magnettakistuse hiigelefekt. Selle seletamiseks meenutame esmalt, et elektritakistus tekib elektronide hajumisest materjalides. Hajumise põhjusi on mitmeid, kuid antud juhul on oluline see, et hajumise suurus sõltub elektroni magnetmomendi ehk spinni ja ümbritseva materjali magnetmomendi vastastikusest suunast - olles minimaalne suundade kokkulangemisel. Seetõttu läbivad esimese magnetmaterjali kokkuvõttes edukamalt need elektronid, mille spinn on materjali magnetmomendiga samasuunaline. Jõudes teise magnetkihini, läbivad need elektronid selle hajumata vaid siis, kui kihi magnetmoment on esimese kihiga samasuunaline. Siis on kogu kihilise struktuuri elektritakistus väikseim. Kui aga teise magnetkihi magnetmoment on esimesega vastassuunaline, nagu eespool mainitud parajalt õhukese vahekihi korral, siis on elektritakistus suurim. Ja see ongi see hiigeltakistus. Hiigelmagnettakistus aga sellepärast, et kui nüüd meie kihilisele materjalile rakendada magnetväli, siis seni omavahel vastassuunas orienteeritud magnetkihid pööravad oma magnetid ühte, välise välja suunda. Kokkuvõttes - magnetväljas sellise nanomõõdus kihtidega materjali takistus väheneb.
Nanotehnoloogiline läbimurre
Eespool nimetatud materjalikihtide paksusi silmas pidades ei ole imekspandav, miks hiigelmagnettakistuse rakendusi nimetatakse nanotehnoloogilisteks. Nanotehnoloogiat määratletakse kui tehnoloogiat, mis opereerib ruumimõõtmetes 1-100 nm ning kasutab nendes mõõtmetes ilmnevaid seninägemata efekte. Kui me viimast lausepoolt ei arvestaks, siis kuuluks nanotehnoloogia alla hõlmamatu hulk asju alates näiteks autokummidest, mis sisaldavad alla 100 nm suuruseid süsinikuosakesi. Hiigelmagnettakistuse rakendused on aga toodud definitsiooni järgi puhtalt nanotehnoloogilised - sest kihtide paksuse suurenemisel isegi üle kümne nanomeetri kaob magnettakistuse hiigelefekt täielikult. Nii võib ilma erilise liialduseta pidada arvutite või mp3-mängijate kõvaketaste hiigelmagnettakistuslikke lugemisseadmeid esimeseks tõeliselt laiatarbeliseks nanotehnoloogiliseks tooteks.
Kuigi mõlemad laureaadid kasutasid oma töödes sarnaseid materjale, tegid nad oma avastused sõltumatult. Nimetus hiigelmagnettakistus ehk siis giant magnetoresistance anti nähtusele Albert Ferti ja tema kaastööliste 1988. aasta ajakirjas Physical Review Letters avaldatud artiklis ja on tänapäeval muutunud üldkasutatavaks. Peter Grünbergi töörühma tulemused saadeti publitseerimiseks ajakirja Physical Review B isegi mõned kuud varem, kuid käsikirjas tehtud muudatuste tõttu ilmus töö alles 1989. aasta alguses. Mõlemad laureaadid mõistsid ka avastuse praktilist väärtust, kuid patendi leitud nähtusel põhinevale ülitundlikule magnetsensorile võttis Peter Grünberg. See patent on Jülichi Teaduskeskuse jaoks osutunud väga edukaks - nii oli kuni 2005. aastani selle litsentseerinud 14 firmat ja litsentsitasusid kogutud üle üheksa miljoni euro. Aastal 2006 pärjati Peter Grünberg Euroopa parima leiutaja auhinnaga.
Enim tööd hiigelmagnettakistuse efekti viimisel reaalsete rakendusteni on teinud ilmselt Stuart Parker koos kaastöölistega IBM-ist. Seda on tunnustanud Euroopa Füüsikaühing, kes andis oma 1997. aasta Hewlett-Packard'i eurofüüsika preemia Fertile ja Grünbergile koos Parkeriga. Rootsi Kuningliku Akadeemia Nobeli komitee otsustas aga traditsiooniliselt vääristada just põhjapanevate alusuuringute tegemist.
Mõlemad nobelistid jätkavad aktiivselt alusuuringuid spintroonika valdkonnas ehk alal, millele nende teedrajavad tööd olulisima algtõuke andsid. Järgmiseks spintroonika rakenduseks tõotavad tulla MRAM-id (inglise magnetoresistive random access memory) - ülikompaktsed ja üliväikese võimsustarbega arvutimälud, mille kasutamine lubaks muu hulgas käivitada arvutid momentaalselt, ilma alglaadimise protseduurita. Aga see on juba omaette jutt.
Albert Fert on sündinud 1938. aastal Carcassonne'is. PhD väitekirja kaitses 1970. aastal Paris-Sud'i Ülikoolis Orsay's. Alates 1976. aastast on sama ülikooli professor ning praegu CNRS/Thales'i ühise füüsikaüksuse teadusdirektor.
Peter Grünberg on sündinud 1939. aastal Pilsenis. Kaitses PhD väitekirja 1969. aastal Darmstadti Tehnoloogiaülikoolis ning on alates 1972. aastast töötanud Jülichi Teaduskeskuses.
RAIVO JAANISO (1958) on füüsik, lõpetanud 1981 Tartu Ülikooli. Töötab samast aastast TÜ Füüsika Instituudis, PhD aastast 1988. Aastail 1991-1996 oli Genfi Ülikooli vanemassistent. Praegu Tartu Ülikooli Füüsika Instituudi materjaliteaduse vanemteadur. Eesti Füüsika Seltsi Liige.
