Polityka - nr 50 (2584) z dnia 2006-12-16; Polityka. Niezbędnik Inteligenta; s. 19-23

Nauka. Spintronika przyszłości

Sławomir Mizerski

O obrotach elektronów

O sile drzemiącej w elektronie, wyczerpywaniu się technologii krzemowej, nanotechnologii i przejściu do informatyki kwantowej Z prof. Tomaszem Dietlem, fizykiem, wybitnym specjalistą z dziedziny spintroniki, rozmawia Sławomir Mizerski

Sławomir Mizerski: – Panie profesorze, będziemy rozmawiać o modnej i bardzo obiecującej dziedzinie fizyki – spintronice. W centrum zainteresowania spintroniki jest elektron?

Tomasz Dietl: – Tak. Ten elektron ma ładunek, strumień elektronów to przecież prąd elektryczny. W bardzo uproszczonym opisie, elektron w atomie krąży wokół jądra, ale obraca się także wokół własnej osi i dzięki temu wytwarza pole magnetyczne. Jest to mały magnesik.

Elektrony obracają się wokół własnej osi, czyli mają spin. Ale te elektrony to elementy atomów, z których składa się materia. Czy to oznacza, że cała materia ma spin?

W niektórych materiałach spiny elektronów są uporządkowane w jednym kierunku, dlatego materiały te wykazują właściwości ferromagnetyczne, a w innych pozostają przypadkowe i kompensują się do zera.

Czyli te pierwsze po prostu są namagnesowane lub można je namagnesować. Od jak dawna ludzie zjawisko magnetyzmu znają i wykorzystują?

O własnościach magnetycznych materii wiedziano już w starożytności. Grecy znali własności tlenku żelaza, Chińczycy już z początkiem XI w. wykorzystywali magnes w nawigacji. Igła magnetyczna to nic innego jak namagnesowany kawałek żelaza, który reaguje na ziemskie pole magnetyczne. Magnesy wykorzystujemy w silnikach elektrycznych. Zauważono też, że magnesowanie materiałów może służyć do zapisu informacji. Nie zdajemy sobie sprawy z tego, że zapis magnetyczny jest bardzo stary. Można np. odsłuchać głos Franciszka Józefa nagrany na płytę magnetyczną.

Kiedy zjawisku spinu przyjrzano się w sposób systematyczny?

Magnetyzm wykorzystywano, ale długo nie wiedziano, skąd on się bierze, bo nie miano pojęcia o istnieniu elektronów. Elektron odkryto pod koniec XIX w. A spin został wykryty w 1925 r.

Spin dobry na wszystko?

Jaka jest różnica między polem elektrycznym a magnetycznym?

Musimy sobie uzmysłowić bardzo ważną cechę natury, której przyczyn nie rozumiemy. Chodzi o asymetrię między polem elektrycznym i magnetycznym. Pole elektryczne jest wytwarzane przez ładunki i powoduje przepływ prądu elektrycznego. Dzięki niezależnemu istnieniu elektronu i protonu – monopoli ładunku elektrycznego – możemy rozdzielić ładunek ujemny, czyli elektron, od ładunku dodatniego, czyli jąder. Natomiast w magnesie nie jesteśmy w stanie oddzielić bieguna północnego od południowego. Jeśli przetniemy magnes na pół, powstaną dwa nowe magnesy.

Zawsze odtwarza się całość, jak po przekrojeniu dżdżownicy?

Mniej więcej. Dlatego że nie istnieje monopol magnetyczny. To ważna cecha, bo jej efektem jest to, że pola magnetyczne, które nas otaczają, są słabe. Plus i minus magnetyczny w dużej mierze się kompensują, ponieważ są w niewielkiej odległości od siebie. To m.in. powoduje, że pamięci magnetyczne są trwałe, a pamięci półprzewodnikowe oparte na zapisie elektrycznym – nie, ponieważ ze względu na przypadkowe pola elektryczne zgromadzony ładunek rozpływa się.

Skoro pamięci magnetyczne już istnieją, to spintronika nie jest żadną nauką przyszłości. To po prostu część tradycyjnej elektroniki?

Elektronika zajmuje się wzmacnianiem sygnałów w radiu czy telefonie oraz przetwarzaniem informacji w komputerze. Powstaje pytanie, czy własności spinowe można by wykorzystać nie tylko do zapisywania informacji, ale także do ich przetwarzania i przesyłania? Właśnie odpowiedzią na to pytanie się zajmujemy. Myślimy o urządzeniach do przetwarzania informacji, które korzystałyby ze spinu elektronu, a nie z ładunku elektronu, jak jest w tej chwili.

Obecnie informacja jest przenoszona przez elektrony (np. gdy rozmawiamy przez telefon stacjonarny) lub przez fotony (gdy korzystamy ze światłowodów lub telefonu komórkowego). Ale jako jeszcze inny nośnik informacji można sobie wyobrazić spin. Zamiast poziomu natężenia prądu elektrycznego lub natężenia światła informacje przesyłałby kierunek spinu.

Zapisywanie i przetwarzanie informacji odbywałoby się w jednym chipie?

Do tej pory byliśmy w stanie przechowywać i przetwarzać informacje za pomocą tych samych urządzeń, ale przechowywanie było nietrwałe. Wymagało stałego zasilania z zewnątrz, a zapis informacji trzeba było odświeżać co tysięczną część sekundy. Gdy wyłączymy baterie w komputerze, stracimy wszystkie informacje, bo elektrony zaburzane drganiami, przypadkowymi fluktuacjami pola elektrycznego, nie są stabilne, rozpływają się.

Teraz jest idea, aby zbudować urządzenie, które miałoby trwałą pamięć, a jednocześnie zdolne byłoby do przetwarzania informacji. Do obu funkcji wykorzystano by istnienie spinu.

Wcześniej elektronika o tym nie myślała?

Nie było takiej potrzeby, bo świetnie działały i nadal zresztą działają mikroprocesory wykorzystujące ładunek elektronów. Ale problem w tym, czy rozwó...

[pełna treść dostępna dla abonentów Polityki Cyfrowej]

Tagi

Dietl Tomasz, rozmowa, nauka, fizyka, spirotronika, "Niezbędnik inteligenta"