Το Νόμπελ Φυσικής 2007 δόθηκε για την ανάπτυξη της νανοτεχνολογίας στους σκληρούς δίσκους

Πηγή: Associated Press , 9 Οκτωβρίου 2007

Στο γάλλο Albert Fert (αριστερά) και το γερμανό Peter Grünberg (δεξιά) απενεμήθη το φετινό Νόμπελ Φυσικής, για τη δουλειά τους στον τομέα της νανοτεχνολογίας, που οι εργασίες τους διεξήχθησαν ξεχωριστά.

Στην ανακοίνωσή της η Σουηδική επιτροπή του βραβείου αναφέρει ότι το 1998 ο Albert Fert  (σήμερα 69 ετών) και ο Peter Grünberg (σήμερα 68 ετών) ανακάλυψαν τη γιγάντια μαγνητοαντίσταση (GRM), μέσω της οποίας οι μαγνητικές πληροφορίες των σκληρών δίσκων μετατρέπονται σε ηλεκτρικά σήματα.

Χάρη στη GRM, η πυκνότητα δεδομένων στους σκληρούς δίσκους συνεχίζει να αυξάνεται, ενώ οι δίσκοι μικραίνουν σε μέγεθος ώστε να χρησιμοποιούνται σήμερα ακόμα και σε φορητές συσκευές όπως το iPod.

Το φαινόμενο GMR ανακαλύφθηκε χάρις τις νέες τεχνικές που αναπτύχθηκαν κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του '70 για την παραγωγή προϊόντων πολύ λεπτών στρωμάτων από διαφορετικά υλικά, μετά από άπειρες ώρες δοκιμών, σε εργαστήρια σε διάφορα μέρη του κόσμου. Τα προϊόντα αυτά σχημάτιζαν τελικά λεπτότατα σάντουιτς από σίδηρο-χρώμιο-σίδηρο ή κοβάλτιο στη θέση του σιδήρου. Το πάχος τους ήταν τόσο λεπτό που μόλις έφθανε τα δύο ή τρία άτομα, δηλαδή μερικά εκατομμυριοστά του χιλιοστού. Για αυτόν τον λόγο το GMR μπορεί επίσης να θεωρηθεί ως μία από τις πρώτες πραγματικές εφαρμογές του ελπιδοφόρου τομέα της νανοτεχνολογίας.

Όταν υλικά που επηρεάζονται από το μαγνητικό πεδίο βρεθούν μέσα σε αυτό, τότε τα ηλεκτρόνια του ρεύματος αποκλίνουν πιο πολύ από την 'ευθύγραμμη' διάδοση τους, σε σχέση με τα ηλεκτρόνια των υλικών που δεν επηρεάζονται από το μαγνητικό πεδίο. Κι αυτό σημαίνει μια αύξηση της αντίστασης τους μέσα στο πεδίο. Άρα η μαγνητοαντίσταση των υλικών επηρεάζεται ανάλογα με την κατηγορία που ανήκουν.

Αυτό το εκμεταλλεύθηκαν με τον ίδιο τρόπο και την ίδια περίπου χρονική στιγμή δύο ομάδες: η μία στη Γερμανία με τον Grunberg και η άλλη στη Γαλλία με τον Fert. Το 1988 είχαν φτιάξει σάντουιτς τριών στρωμάτων απειροελάχιστου πάχους όπου ανάμεσα σε δύο υλικά με μαγνητικές ιδιότητες υπήρχε ένα μεταλλικό υλικό χωρίς  ιδιαίτερα έντονες μαγνητικές ιδιότητες.

Η γιγάντια μαγνητοαντίσταση κατέστη όμς δυνατό να ανακαλυφθεί έπειτα από την τεχνολογική πρόοδο της δεκαετίας του '70, με μεθόδους για την παραγωγή πολύ λεπτών στρωμάτων διαφορετικών υλικών.

Τοποθέτησαν λοιπόν σε ένα μαγνητικό πεδίο το σάντουιτς με τα τρία υλικά, και είδαν ότι τα ηλεκτρόνια - που σαν μικροί μαγνήτες που είναι - προσανατολίζονται αντίθετα σε σχέση με το μαγνητικό πεδίο. Άρα ξεφεύγουν περισσότερο από την ευθεία πορεία του ηλεκτρικού ρεύματος και γι αυτό επομένως το υλικό τους θα έχει μεγαλύτερη αντίσταση.

Με αυτό τον τρόπο τα τρία στρώματα μπορούν να λειτουργήσουν και σαν μια μαγνητική κεφαλή ανάγνωση με μεγάλη ευαισθησία και να πώς: από το ένα εξωτερικό στρώμα έχουμε δεδομένη και σταθερή τη διεύθυνση του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Στο άλλο εξωτερικό στρώμα αφήνουμε τη μαγνήτιση να την κανονίζει κάθε φορά η μαγνήτιση που συναντά η κεφαλή πάνω σε ένα σκληρό δίσκο. Καθώς λοιπόν η μαγνητική κεφαλή περνά πάνω από την επιφάνεια του σκληρού δίσκου, 'συναντά' τη μαγνήτιση του δίσκου, που όπως ξέρουμε παρουσιάζει δύο αντίθετες κατευθύνσεις. Κάθε φορά λοιπόν το μαγνητικό πεδίο που θα «αισθάνεται» το τρίτο στρώμα θα είναι ή όμοιο ή αντίθετο με αυτό του σταθερού και έτσι ανάλογα θα περνούν εύκολα τα ηλεκτρόνια ή θα περνούν δύσκολα έως και καθόλου αφού η αντίσταση θα αλλάζει. Έτσι, άλλοτε θα έχουμε ένα ρεύμα πιο έντονο ή πιο ασθενές ανάλογα με το τι είναι γραμμένο στη μαγνητισμένη μνήμη.

Τα δεδομένα των σκληρών δίσκων αποθηκεύονται με τη μορφή μικροσκοπικών μαγνητικών περιοχών προς διαφορετικές κατευθύνσεις. Η κεφαλή ανάγνωσης του δίσκου πρέπει να αναγνωρίσει τις διαφορές αυτές και να τις καταγράψει ως τα «0» και «1» της ψηφιακής πληροφορίας.

Το πρόβλημα είναι ότι, καθώς οι μαγνητισμένες περιοχές γίνονται όλο και μικρότερες, οι διαφορές τους γίνονται όλο και πιο ασθενείς και δύσκολο να διαβαστούν. Η γιγαντιαία μαγνητοαντίσταση ή GRM επιτρέπει τη μετατροπή πολύ μικρών διαφορών σε πολύ μεγαλύτερες διαφορές στο ηλεκτρικό σήμα της εξόδου.

Μαγνητοαντίσταση

Μαγνητοαντίσταση είναι η ιδιότητα ενός υλικού να αλλάζει την τιμή της ηλεκτρικής αντίστασής του όταν εφαρμόζεται σε αυτό ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Το φαινόμενο ανακαλύφθηκε αρχικά από τον William Thomson το 1856, αλλά ο ίδιος δεν μπορούσε να μειώσει την ηλεκτρική αντίσταση περισσότερο από 5%. Συγκεκριμένα παρατήρησε ότι όταν το μαγνητικό πεδίο ήταν παράλληλο με τον αγωγό τότε η αντίσταση του μειωνόταν, ενώ όταν ήταν κάθετο στον αγωγό η αντίσταση του αυξανόταν.

Αυτό το φαινόμενο κλήθηκε αργότερα συνηθισμένη μαγνητοαντίσταση (AMR). Πρόσφατα ερευνητές ανακάλυψαν υλικά που παρουσιάζουν γιγαντιαίο μαγνητοαντίσταση (GMR), κολοσσιαία μαγνητοαντίσταση (CMR) και μαγνητικό φαινόμενο σήραγγας (TMR).

Το φαινόμενο AMR χρησιμοποιείται για μεγάλη σειρά αισθητήρων όπως για τη μέτρηση του γήινου μαγνητικού πεδίου (ηλεκτρονική πυξίδα), για τη μέτρηση ηλεκτρικού ρεύματος (με τη μέτρηση του μαγνητικού πεδίου που δημιουργείται γύρω από τον αγωγό), για την ανίχνευση της κυκλοφορίας και για τη γραμμική αντίληψη της θέσης και της γωνίας.

Σχεδόν όλοι οι σημερινοί σκληροί δίσκοι στηρίζονται στο φαινόμενο που ονομάζεται γιγαντιαία  μαγνητοαντίσταση, και στο οποίο η αντίσταση των εναλλασσόμενων στρωμάτων των μαγνητικών και μη-μαγνητικών υλικών μπορεί να αλλάξει τουλάχιστον κατά 100%. Επιπλέον, υπάρχει και η κολοσσιαία μαγνητοαντίσταση που έχει ανεβάσει τις αντιστάσεις μέχρι και 1400% πάνω, στη θερμοκρασία δωματίου, αλλά απαιτεί πεδία χιλιάδων Gauss και υλικά με μια υψηλή εγγενή αντίσταση.