FYZIKA
Menší notebooky a kapesní přehrávače, do kterých se vejdou hodiny hudby. To je hlavní přínos gigantické magnetorezistence (GMR), za niž získali tento týden dva vědci Nobelovou cenu za fyziku. Jejich objev umožnil vyvinout velice citlivé čtecí hlavy pevných disků a výrazně tak zvýšit množství informací, které lze na disk zapsat.
Jedním z oceněných je Peter Grünberg, rodák z Plzeňska, který se narodil německým rodičům pár měsíců po vypuknutí druhé světové války. V roce 1946 byla jeho rodina odsunuta, přestěhovala se do německého Lauterbachu.
Vroce 1988 si Grünberg podal žádost o patent týkající se dosud neznámého jevu. Zároveň o něm připravoval článek ke zveřejnění. Ve stejnou dobu ovšem publikoval studii na totéž téma francouzský fyzik Albert Fert. Oba odborníci objevili gigantickou magnetorezistenci nezávisle na sobě. O Nobelovu cenu se proto podělí rovným dílem.
Fenomén magnetorezistence byl znám už dříve, článek o něm zveřejnil Lord Kelvin už v roce 1857. Ve vodiči s elektrickým proudem se mění odpor vlivem okolního magnetického pole. Tento princip později umožnil sestrojit zdokonalené čtecí hlavy počítačových pevných disků.
Digitální informace se skládá z bitů - jedniček a nul, které se na disk zaznamenávají v podobě opačně polarizovaných „magnetických teček“. Hlava se pohybuje nad povrchem disku a magnetické pole jednotlivých bitů v ní mění elektrický odpor. Výkyvy elektrického proudu tedy představují detekované bity.
Fertovi a Grünbergovi se podařilo tento princip zdokonalit. Vyrobili „sendvič“ složený z velice tenkých vrstev, kde se střídalo magnetické železo s nemagnetickým chrómem. Němec použil tři vrstvy materiálu, Francouz dokonce až šedesát. Zjistili, že v takto poskládaném materiálu dochází k mnohem větší změně elektrického odporu. Proto Fert nazval tento jev gigantickým. Grünbergovi se v jeho „sendviči“ změnil odpor o 10 procent, Fertovi až o 50 procent. U klasických materiálů se odpor mění řádově jen o procento. Vyšší citlivost a menší rozměry čtecích hlav umožnily výrazně zmenšit magnetické bity na disku, takže se jich do stejného prostoru vejde mnohem víc. Přestože mají slabší magnetické pole, citlivý senzor ho zaznamená.
Není nano jako nano
Před zavedením do praxe ovšem výrobci museli vyřešit problém, jak levně a ve velkém měřítku získat vrstvy kovů o tloušťce pouhých několika atomů. Fert i Grünberg v laboratoři použili nákladné techniky. Takové podmínky šlo připravit v laboratoři, ale pro velkovýrobu byly příliš drahé. Po několika letech ale Angličan Stuart Parkin přišel na jednodušší metodu výroby ultratenkých kovových vrstev. Komerčnímu rozšíření citlivých čtecích hlav už nestálo nic v cestě.
První model představila firma IBM koncem roku 1997. „Přinesl revoluci do světa techniky, okamžitě nastartoval astronomický růst paměťové kapacity počítačů a jejich zmenšování. GMR je jedním z mála kvantových efektů přímo využívaných v průmyslu,“ komentuje profesor Pavel Ripka z Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze. „Nobelova cena za gigantickou magnetorezistenci proto není velkým překvapením a je bezesporu zasloužená,“ dodává.
Nobelův výbor ve zdůvodnění ceny zmínil, že jde o jednu z prvních aplikací nanotechnologií. „Je to módní slovo, ale je sporné, zda se jedná o skutečnou nanotechnologii. Rozměr v řádu nanometrů se týká pouze tloušťky vrstvy, nikoliv celého snímacího prvku v senzoru,“ podotýká profesor Ripka.
Zatímco objevitelé GMR pracovali s čistými prvky, ve čtecích hlavách se dnes používají slitiny - například železo s niklem, kobaltem či manganem, jako izolační nemagnetická vrstva slouží obvykle měď. „Slitiny mají lepší vlastnosti - dochází u nich k větším změnám odporu při malých polích a jsou odolnější vůči změnám teploty. Základní princip se ale nezměnil,“ říká profesor Ripka.
V současné době pracuje na základěGMR většina vyráběných disků. Ke slovu se ale už dostává její modifikace zvaná TMR (tunelovací magnetorezistence), která umožňuje dosáhnout ještě menších rozměrů senzoru.
Kapacita počítačové paměti zatím raketově roste, ale nabízí se otázka, zda už se nepřibližuje fyzikálním hranicím. „Fyzikové v laboratořích výrobců pevných disků se umí hranicím přírody přiblížit, ale záleží také na vlastnostech samotného média a velikosti záznamové hlavy,“ říká profesor Ripka. Podle jeho slov mohou v budoucnu magnetický záznam nahradit magnetooptické disky, na něž se budou informace zapisovat pomocí laseru - nikoliv indukční cívkou jako nyní.
Kromě pevných disků se v posledních letech prosazují také polovodičové paměti - známe je z malých přehrávačů mp3 nebo paměťových USB disků. „V současné době prožívají boom, kapacita polovodičových pamětí se stále zvětšuje,“ říká profesor Ripka. „Domnívám se ale, že narazí na fyzikální hranice dřív než magnetický nebo magnetooptický záznam. Ten pro ukládání větších množství dat zvítězí,“ dodává.
Posilovač s Nobelovou cenou
Jev gigantické magnetorezistence může najít i jiné uplatnění než ve čtecích hlavách pevných disků. Katedra měření na FEL ČVUT se zabývá magnetickými senzory, které nemění svůj elektrický odpor jen skokem mezi dvěma hodnotami, ale lineárně v závislosti na tom, jak se postupně mění magnetické pole.
„Začali se na nich pracovat po roce 1997. Byly vedlejším produktem vývoje čtecích hlav, do kterých se tehdy investovalo nesmírné množství práce a peněz,“ konstatuje profesor Ripka, který se na vývoji senzorů podílí. Čeští odborníci spolupracovali s americkou firmou NVE, odnoží známé společnosti Honeywell. „TechnologieGMR byla tehdy natolik rizikovou záležitostí, že firma nechtěla vyrábět součástky na tomto principu pod svým jménem,“ podotýká český expert. Američané dodávali součástky, Češi je testovali a navrhovali, jak je zdokonalit. První výsledky zveřejnili v roce 1999. Zároveň ovšem na výzkumu senzorů pracovaly i další zahraniční týmy.
Na přelomu tisíciletí se zdálo, že širokému využití GMR senzorů nestojí nic v cestě. Mohou se uplatnit například ke snímání polohy. „Slibnou oblastí pro aplikace je automobilový průmysl, konkrétně snímač polohy volantu u posilovače řízení. Miniaturní GMR senzory se hodí i pro detekci magnetických nanočástic používaných v moderních biotechnologiích,“ uvádí Pavel Ripka.
Přesto několik let trvalo, než se nové senzory prosadily - bylo třeba vychytat všechny „mouchy“, například je zdokonalit natolik, aby dobře odolávaly změnám teplot. Od loňského roku se senzory začínají prosazovat v nových vozech, jejichž posilovače řízení využívají elektromotory, nikoliv hydraulický systém jako starší modely. Tím začalo masové využití GMR senzorů i mimo oblast počítačů.
