Τα Δέκα Άρθρα του PRL

6. Τεράστια μαγνητοαντίσταση μαγνητικών υπερ-πλεγμάτων (001)Fe / (001)Cr
("Giant Magnetoresistance of (001)Fe / (001)Cr Magnetic Superlattice")
M.N.Baibich, J.M.Broto, A.Fert, F.Nguyen Van Dau, F.Petroff, P.Eitenne, G.Creuset, A.Friederich, J.Chazelas,
Phys. Rev. Lett. 61(1988)2472
Αριθμός αναφορών: 2455

Όπως ανακαλεί στη μνήμη του ο Mario Baibich, όλοι γενικά θεωρούσαν ότι στη δεκαετία του 1980 η μελέτη του μαγνητισμού είχε φτάσει σε αδιέξοδο. «Πολλοί φίλοι προσπαθούσαν να με πείσουν ότι δεν έπρεπε να επικεντρωθώ σε αυτό το αντικείμενο», λέει. Στην πραγματικότητα, αυτό το επιστημονικό πεδίο βρισκόταν απλώς σε προσωρινή νάρκη και το παραπάνω άρθρο στο περιοδικό Physical Review Letters που ο Βραζιλιάνος φυσικός έγραψε από κοινού με τους υπόλοιπους συγγραφείς ενόσω εργαζόταν στη Γαλλία ως μεταδιδακτορικός υπότροφος, υπήρξε απλά η αφορμή για την αναζωογόνηση του πεδίου. Η ανακάλυψη τεράστιας μαγνητοαντίστασης (GMR) μετέτρεψε τη μελέτη διαστρωματωμένων μαγνητικών δομών σε ένα από τα πλέον δυναμικά και προσοδοφόρα επιστημονικά πεδία της φυσικής τα τελευταία 25 χρόνια του 20ού αιώνα.

Η GMR είναι η θεαματική μεταβολή στην αντίσταση πολυστρωματικών δομών από λεπτά υμένια, η οποία πραγματοποιείται όταν εφαρμόσουμε ένα μαγνητικό πεδίο. Το εξωτερικό πεδίο αλλάζει τους σχετικούς προσανατολισμούς μαγνητικών περιοχών σε ορισμένα από τα υμένια. Όταν τα πεδία σε γειτονικά υμένια είναι ευθυγραμμισμένα, ηλεκτρόνια με σπιν παράλληλα προς τα πεδία (ηλεκτρόνια-άνω) διέρχονται εύκολα από ένα υμένιο σε ένα άλλο, ενώ τα αντιπαράλληλα ηλεκτρόνια (ηλεκτρόνια-κάτω) σκεδάζονται έντονα, με αποτέλεσμα να έχουμε μια μικρή αντίσταση για τα ηλεκτρόνια-άνω. Εάν γειτονικές περιοχές έχουν αντιπαράλληλα πεδία, τότε σκεδάζονται τόσο τα ηλεκτρόνια-άνω όσο και τα ηλεκτρόνια-κάτω και η αντίσταση είναι μεγάλη για όλα τα ηλεκτρόνια. Αυτή η, βασιζόμενη στο σπιν, εξήγηση της GMR οδήγησε στη χρήση του όρου «βαλβίδα σπιν» για διάφορες διατάξεις GMR.

Μαγνητικοί αισθητήρες και κεφαλές ανάγνωσης σε υψηλής πυκνότητας υπολογιστικές διατάξεις αποθήκευσης συγκαταλέγονται στις κοινές διατάξεις που εκμεταλλεύονται την GMR. Ενδεχομένως η δυναμική μνήμη τυχαίας προσπέλασης (DRAM) στους προσωπικούς υπολογιστές να αντικατασταθεί σύντομα από τη μεγάλης ισχύος και υψηλής πυκνότητας μαγνητική μνήμη τυχαίας προσπέλασης (MRAM). Είναι εύλογο ότι οι πλέον υποσχόμενες εφαρμογές της GMR βρίσκονται ακόμη σε νηπιακό στάδιο. Διατάξεις επιλογής σπιν όπως τα τρανζίστορ, βρίσκονται μόλις σήμερα στο στάδιο της τελειοποίησής τους, αλλά έχουν ήδη εμπνεύσει τους ερευνητές στην επινόηση ενός νέου επιστημονικού όρου: σπινοτρονική. Δυνητικά, οι διατάξεις επιλογής σπιν ίσως διανοίξουν έναν πρακτικό δρόμο στους πολυδιαφημιζόμενους οπτικούς και κβαντικούς υπολογιστές.

Ο Albert Fert, που ηγήθηκε της ομάδας έρευνας της GMR εκείνη την εποχή, επισημαίνει ότι η αρχική ανακάλυψη της GMR καθώς και η επακόλουθη εμπορική επιτυχία της σχετικής τεχνολογίας αποτελεί ένα λαμπρό παράδειγμα του ωφέλους που μπορεί να προκύψει από τη συνεργασία μεταξύ πανεπιστημίου και βιομηχανίας. «Στα μέσα της δεκαετίας του 1980», όπως λέει, «συνειδητοποίησα ότι η πρόοδος στην τεχνολογία κατασκευής λεπτών πολυ-υμενίων είχε φθάσει σε σημείο ώστε να είναι δυνατή η εκμετάλλευση των προηγούμενων θεμελιωδών εργασιών μου σχετικά με την εξαρτώμενη από το σπιν μεταφορά και η συνακόλουθη παραγωγή καινοτόμων αποτελεσμάτων στο πεδίο των τεχνητών νανο-δομών». Εμπνευσμένος από την ανακάλυψη της αντι-φερομαγνητικής ζεύξης μεταξύ υμενίων σιδήρου διαχωριζόμενων από ένα λεπτό στρώμα χρωμίου, δύο χρόνια νωρίτερα από τον Peter Gruenberg και τους συνεργάτες του στο Ερευνητικό Κέντρο του Juelich, στη Γερμανία, ο Fert ήρθε σε επαφή με την εταιρεία Thompson-CSF (σήμερα Thales Corporation) και κατέληξε σε συμφωνία για την κατασκευή πιο περίτεχνων πολυ-στρωματικών υπερπλεγμάτων μέσω της νέας μηχανής επιταξίας μοριακής δέσμης που διέθετε η εταιρεία.

Παρ' ότι ο Fert, ο Baibich, και οι συνεργάτες τους ήταν βέβαιοι ότι θα παρατηρούσαν φαινόμενα αγωγιμότητας εξαρτώμενης από το σπιν, οι διαστάσεις του αποτελέσματος ήταν εντυπωσιακές. «Για να είμαι ειλικρινής», λέει ο Baibich, «μετά από το πρώτο πείραμα αποσυνέδεσα ολόκληρη τη διάταξη προκειμένου να ελέγξω αν υπήρχαν πιθανές βραχυκυκλώσεις». Οι ερευνητές περίμεναν να παρατηρήσουν φαινόμενα της τάξης ενός μικρού ποσοστού επί τοις εκατό, και αντ' αυτού είδαν την αντίσταση να μειώνεται κατά έναν παράγοντα δύο. «Όπως είπε εκείνη την εποχή ο Jean Marc Broto, (ένας από την ερευνητική ομάδα), θυμάται ο Baibich, «ακόμη κι ένα πολύμετρο θα αρκούσε για να μετρήσουμε το φαινόμενο!»

«Ήξερα από την εργασία μου σε κράματα σιδήρου ότι το ζεύγος σίδηρος-χρώμιο αποτελούσε ένα καλό σύστημα για φαινόμενα αγωγιμότητας εξαρτώμενης από το σπιν», προσθέτει ο Fert, «αλλά φοβόμουν ότι οι πιθανές ατέλειες λόγω της τραχύτητας της διεπιφάνειας θα απέκρυβαν την εξάρτηση από το σπιν. Εκπλαγήκαμε θετικά όταν διαπιστώσαμε μια τόσο μεγάλη μαγνητοαντίσταση. Τελικά, φανήκαμε τυχεροί καθώς η GMR δεν απαιτούσε διεπιφάνειες πολύ υψηλής ποιότητας».

Λόγω του σχετικά μικρού αριθμού ερευνητών που εμπλέκονταν εκείνη την εποχή στη μελέτη μαγνητικών λεπτών υμενίων, λέει ο Fert, ήταν αρχικά δύσκολο να έχουν μεγάλο αριθμό αναφορών στη δημοσίευσή τους. «Έκτοτε, με τη μεγάλη έκταση που έχει προσλάβει σήμερα το πεδίο της σπινοτρονικής, η ερευνητική κοινότητα είναι πολύ μεγαλύτερη και η GMR αναφέρεται συχνά ως το πρώτο παράδειγμα εκμετάλλευσης του σπιν σε διατάξεις μεταφοράς». Εν μέρει λόγω της ανακάλυψης της GMR και της εξαιρετικά μεγάλης δημοτικότητας του άρθρου στο Physical Review Letters του 1988, ο Fert κατόρθωσε να δημιουργήσει ένα νέο εργαστήριο. Σήμερα συνεχίζει την εργασία του στο ίδιο ερευνητικό πεδίο ως διευθυντής της ομάδας σπινοτρονικής έρευνας στη Μικτή Μονάδα Φυσικής (Unite Mixte de Physique) στο Orsay, ένα κοινό εργαστήριο του γαλλικού Εθνικού Κέντρου Επιστημονικών Ερευνών (CNRS) και της εταιρείας Thales, σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο Paris-Sud.

Ο Baibich έχει επιστρέψει στην πατρίδα του, τη Βραζιλία, στο πανεπιστήμιο Universidade Federal do Rio Grande do Sul, όπου ασχολείται κυρίως με την αναζήτηση άλλων τρόπων ελέγχου της εξαρτώμενης από το σπιν σκέδασης. Καθώς θυμάται την ασυνήθιστη επιτυχία της δημοσίευσης σχετικά με την GMR και τις πολλές επιστημονικές εφαρμογές που προέκυψαν από αυτήν, ο Baibich σχολιάζει τη συμβουλή κάποιων φίλων του να ασχοληθεί με κάτι πιο γόνιμο απ' ότι ο μαγνητισμός: «Ίσως το σπουδαιότερο μάθημα να είναι ότι ποτέ δεν θα γνωρίσουμε τα πάντα γύρω από οποιοδήποτε αντικείμενο κι ακόμη πως το κριτήριο για να αποφανθούμε πρέπει πάντα να είναι η καλή επιστήμη».

ΠΗΓΗ: APS News, Μάρτιος 2003
Απόδοση στα Ελληνικά: Θεοφάνης Γραμμένος