Gigantisk upptäckt i lilleputtvärlden

En fransman och en tysk – ett sådant par har aldrig delat Nobelpriset förr. Men nu har det hänt: oberoende av varandra upptäckte Albert Fert och Peter Grünberg jättemagnetoresistans, ett magnetiskt fenomen på kvantnivå. På kuppen blev de faddrar till en ny teknikgren – spinntroniken.

Fenomenet döptes av Fert till gigantisk magnetoresistans, GMR, medan Grünberg använde ett blygsammare namn – förstärkt magnetoresistans. En försiktighet som i dag ter sig framsynt när utvecklingen har lett vidare till en ännu mer gigantisk magnetoresistans – som följaktligen kallas kolossal.

Med all säkerhet förstod Peter Grünberg redan 1988, året för upptäckten, vilken revolution i tillämpningarna som den kunde föra med sig: samtidigt med sin vetenskapliga artikel författade han en patentansökan. Patentet gäller fortfarande, och GMR-effekten utgör i dag hjärtat i all elektronik med hårddiskminnen: bärbara datorer, MP3-spelare, videokameror. En hel industri med en omsättning på hundratals miljarder kronor.

Som att kunna läsa allt mindre skrift

Fast ärligt talat – hur ofta tänker man på vad som gömmer sig inuti alla dessa apparater? Ägnar man hårddisken en tanke, så är det först när den är full. Men det blir den nästan aldrig. Det beror på att minneskapaciteten i diskarna har mångfaldigats tusentals gånger tack vare pristagarnas upptäckt.

Vanligen är informationen på en minnesskiva lagrad i små magnetiska paket. Ju tätare paketen packas och ju fler som får plats på skivan, desto svagare är den magnetiska signalen. GMR-effekten förstärker signalerna och underlättar alltså avläsningen. Det är ungefär som när man med allt starkare glasögon kan läsa allt mindre bokstäver, så att det på samma yta kan rymmas mer text.

GMR omvandlar mycket svaga magnetiska variationer till stora skillnader i elektriskt motstånd, resistans. Därför lämpar den sig väl när man ska läsa data från hårddiskar, där informationen lagras magnetiskt men förs vidare som elektrisk ström.

Effekten är kvantmekanisk och har i princip varit känd i stor skala i 150 år. Om en elektrisk ledare sätts in i ett magnetiskt fält, flyter strömmen en aning lättare längs med fältet än på tvären. Denna växelverkan mellan det magnetiska och det elektriska, magnetoresistans, noterade den brittiske fysikern Lord Kelvin redan i mitten av 1800-talet. Även om effekten inte är särskilt kraftig – magnetoresistansen förändras bara någon bråkdel av en procent – utnyttjades den under en period på 1990-talet för att läsa information från hårddiskar. Men så trodde man sig ha nått gränsen för vad tekniken tillåter. Därför blev överraskningen stor när Fert och Grünberg år 1988 påvisade en dramatiskt ökad magnetoresistans i metaller som de krympte till nanoskala (en miljarddels meter).

Skapade helt nya material

För att hitta GMR skapade de material som aldrig funnits i naturen. En förutsättning var att kunna bygga dem atom för atom, vilket blev möjligt först när nanotekniken och utvecklingen inom mikroelektronik nådde dit i mitten av 1980-talet. I nanometertunna skikt varvades atomlager av magnetiskt järn och metallen krom.

Materialets resistans minskade överraskande mycket – upp till 50 procent i närvaro av ett magnetiskt fält.

Upptäckten överraskade forskarvärlden.

– Många laboratorier hade redan gett upp försöken att öka magnetoresistansen, berättar Börje Johansson, själv nanoforskare och professor vid Uppsala universitet och KTH. Men så fort upptäckten blev känd började en febril verksamhet att omsätta den i praktisk tillämpning.

Han krympte datorerna

Britten Stuart Parkin på IBM:s forskningslaboratorium i Kalifornien är legendarisk i sammanhanget. Han satte igång direkt och ägnade de närmaste åren efter upptäckten åt att utforska över 30 000 nya materialkombinationer.

Parkin lyckades ersätta den mödosamma processen att låta materialen växa fram i tomrum och vid mycket låga temperaturer med en enklare, snabbare och därmed effektivare metod. Den tillåter att under kontrollerade förhållanden få fram tunn film tjugo gånger snabbare än med de mer komplicerade metoderna utan att effekten förloras. Detta blev ett viktigt steg mot masstillverkning. År 1997, bara nio år efter upptäckten, hade Nobelpristagarnas forskning omvandlats till kommersiella produkter som numera återfinns i var mans hem. Samma år delade Stuart Parkin European Physical Societys pris med Albert Fert och Peter Grünberg.

Öppnade vägen för spinntroniken

Världens teknikforskare har fortsatt att krympa elektroniken. Men nu gäller det inte längre att bara krympa. Nya uppfinningar som kombinerar magnetism och nanotekniker kommer att innebära en genomgripande förändring av datavärlden.

Nästa steg är att göra hårddiskarna onödiga. Med ett magnetiskt arbetsminne, så kallat MRAM som sedan drygt ett år finns ute på marknaden, hoppas man så småningom kunna ersätta alla olika sorters minnen i datorerna. MRAM, som liksom jättemagnetoresistans utnyttjar elektronspinnets påverkan på elektrisk ledningsförmåga, är extremt snabbt och strömsnålt. Det beror på att MRAM, till skillnad från det vanliga arbetsminnet i datorn, RAM, kan spara informationen permanent och är oberoende av strömförsörjning – datalagringen är magnetisk.

Men MRAM pekar bara mot en viss inriktning av spinntroniken. Med sin grund i samma spinnfenomen är nya komponenter på väg att förändra den trådlösa kommunikationen. Det är vad Albert Fert har intresserat sig för, när han inte vindsurfar vill säga. Peter Grünberg betonar i stället nya minisensorer inom genetiken och andra möjligheter för medicinsk forskning och dess tillämpningar. De båda Nobelpristagarna har öppnat portarna till en ny värld, spinntroniken, och trots att de har passerat pensionsåldern har de inga planer på att lämna det nya digitala underlandet.