"Nobelovka" za lepšie čítanie harddiskov

Finančnú časť ceny, desať miliónov švédskych korún, čo je necelých 37 miliónov slovenských, si rozdelia napoly.

Menšie harddisky, väčší pokrok

Podstata GMR súvisí s kvantovou mechanikou, odrážajú sa v nej vlastnosti sveta veľmi malých rozmerov. No v dokonalom súlade so svojím názvom má priam obrovské praktické využitie. Práve tento jav totiž umožnil vývoj citlivejších čítacích hláv a následnú výraznú miniaturizáciu veľkokapacitných pamäťových médií, zvlášť harddiskov, aké sa už dnes montujú aj do prenosných počítačov a niektorých hudobných prehrávačov. Hranica kapacity harddiskov na bežné využitie sa aj vďaka GMR priblížila k jednému terabytu (tisíc gigabytov), akokoľvek ešte nie sú bežné a väčšina užívateľov počítačov pracuje nanajvýš s niekoľkostogigabytovými. Prospech z toho priamo či nepriamo získavame prakticky všetci vrátane tých, ktorí počítače nepoužívajú. Lebo o to efektívnejšia je činnosť ľudí z profesií, kde sú počítače kľúčovým nástrojom. Príkladov je nespočetne - od výroby a obchod cez médiá a zábavu až po vzdelávanie a medicínu.

Cesta k objavu

Fert a Grünberg objavili GMR súbežne a nezávisle od seba v roku 1988. Vyskytuje sa v tenučkých striedavo magnetických a nemagnetických kovových vrstvách. Objav by nebol možný bez nových spoľahlivých metód prípravy takýchto tenučkých vrstiev s hrúbkou iba niekoľkých atómov, vyvinutých v 70. rokoch. Ak sa povie niekoľko atómov, zodpovedá to mierke nanometrov čiže miliardtín metra.

GMR svojho času patrilo k prvým rozsiahlym využitiam nanotechnológií. O čo však ide? Fertova skupina pracovala až s 30 striedajúcimi sa vrstvičkami železa a chrómu. Grünbergova len s dvomi či tromi vrstvičkami železa, medzi ktorými bola vrstvička chrómu. Sčasti práve pre väčší počet vrstiev zaznamenala Fertova skupina oveľa výraznejšiu zmenu magnetorezistencie, až o 50 percent, ako Grünbergova, ktorá zistila zmenu iba do 10 percent.

Magnetorezistencia je vlastnosť látky, vďaka ktorej dokáže zmeniť hodnotu elektrického odporu, ak na ňu pôsobí vonkajšie magnetické pole. Známa je od roku 1857, keď ju ako prvý skúmal slávny britský fyzik a vynálezca William Thomson, neskorší lord Kelvin. No pred objavom GMR, vlastne až dodnes, sa pri nej zistila nanajvýš niekoľkopercentná zmena odporu. Práve preto Fert v roku 1988 nazval novo pozorovaný jav obrovská magnetorezistencia.

Spintronika

Fert i Grünberg s kolegami jav hneď aj správne vysvetlili: súvisí s rôznymi orientáciami "rotačných osí" elektrónov, spinov, v magnetických a nemagnetických vrstvách vo vzťahu k orientácii vonkajšieho magnetického poľa. Spiny bývajú orientované do dvoch opačných smerov, pričom v magnetickom materiáli väčšina rovnakým smerom. Dôležitá je však aj menšina s opačnou orientáciou a tá sa v rôznych látkach pri rôznej magnetizácii správa odlišne.

Obaja objavitelia si uvedomili potenciálne obrovský praktický význam GMR. Grünberg súbežne s napísaním prvého vedeckého

článku o tomto jave podal patentovú prihlášku. Keďže tu nejde iba o elektrické náboje elektrónov, ale aj o ich spiny, jav spadá do novej oblasti, nazvanej v analógii s elektronikou spintronika. Tá je nevyhnutne úzko prepojená s nanotechnológiami, lebo smer spinu elektrónu možno udržiavať iba na veľmi krátkych vzdialenostiach.

Dnes už sú známe a vcelku preskúmané silnejšie javy z tejto kategórie. Jednak takzvaná tunelová magnetorezistencia (TMR), ktorá využíva ako medzivrstvu namiesto nemagnetického kovu izolant. Jednak takzvaná kolosálna magnetorezistencia, využívajúca isté minerály; je mnohonásobne výraznejšia ako GMR, no jej praktické využitie vyzerá málo pravdepodobné, pretože vyžaduje veľmi silné magnetické polia.

K univerzálnej pamäti

Malé zmeny magnetického poľa sa v čítacích hlavách založených na GMR prevádzajú do veľkých elektrických zmien, takže čítacie hlavy majú väčšiu citlivosť. Práve toto je podstatné pri praktickom využití. Informácie sú na harddiskoch uložené v podobe drobnučkých plôšok s rôzne orientovaným zmagnetizovaním. Jeden smer magnetizácie zodpovedá nule, druhý jednotke, čo sú základné prvky binárneho počítačového kódu. Čítacia hlava skenuje povrch disku a zaznamenáva magnetické zmeny od jedného miesta ku druhému. To sa potom odráža v elektrických zmenách odosielaných hlavou do výstupného zariadenia. Ak má byť harddisk menší a záznam na ňom hustejší, o to menšie a magneticky slabšie budú predmetné plôšky a teda o to citlivejšia musí byť čítacia hlava.

Hlavy skonštruované na základe GMR sa objavili v roku 1997 a čoskoro sa stali štandardom. Najnovšie čítacie technológie stále vychádzajú z GMR. Akoby naplno otvorili bránu do spintroniky. Dnes sa to prejavuje zvlášť sľubne pri vývoji magnetických operačných pamätí, ktoré sa nevymažú ani pri vypnutí dodávky elektriny. MRAM napokon zrejme zjednotí RAM a harddisky do jednej univerzálnej počítačovej pamäte na rovnakom princípe, ktorá prekoná dočasnosť zápisu v RAM a stále pomernú pomalosť harddiskov.

Autor: spolupracovník SME