Albert Fert och Peter Grünberg

Upptäckten spelar också stor roll i olika magnetiska sensorer liksom för utvecklingen av en ny generation elektronik. Användningen av jättemagnetresistans är en av nanoteknikens första stora tillämpningar.*

Bara så jag vet att du är med: Informationen på en hårddisk läggs längs spår och består av områden som magnetiseras i olika riktningar, där en viss magnetiseringsriktning motsvarar en nolla och den motsatta riktningen motsvarar en etta. För att plocka ut informationen från hårddisken används ett läshuvud som sveper längs spåret och registrerar de olika magnetfältsriktningarna. När hårddisken görs allt mindre måste också varje enskild magnetisk bit också bli mindre. Varje litet magnetfält blir då också svagare och svårare att läsa av. Ju tätare man vill kunna packa informationen på en hårddisk, desto känsligare lästeknik behövs alltså. Spåren hos moderna hårddiskar är för små för att man ska kunna använda traditionella läs/skrivhuvuden med kopparlindningar. Nya, känsligare metoder måste till.

Lite om elektrisk ström: Ström är elektroner som rör sig fritt i en ledare. Ju rakare elektronerna kan röra sig, desto lägre säger man att resistansen är. Om elektronerna tvingas krocka med orenheter sprids de och får svårare att ta sig fram. Man säger att resistansen ökar. Men elektronerna kan krocka med annat också, som vi ska se senare.

Se vidare ”Så går du vidare”, på slutet.

Att det elektriska motståndet, resistansen, i ämnen som järn kan påverkas av magnetfält har varit känt mycket länge. Lord Kelvin upptäckte att om ett magnetiskt fält läggs längs med en ledare av järn så minskar det elektriska motståndet, medan det ökar om magnetfältet läggs tvärs över ledaren. Det är denna riktningsberoende magnetresistans (MR) man utnyttjar.

I de flesta fall är resistansen lägst när strömmen och magnetfältet är parallella och högst när de ligger vinkelrätt mot varandra. Skillnaden i resistans (känsligheten) handlar om ett par procent i praktiska fall. Denna känslighet är emellertid för dålig och man måste ned på nanometertunna lager, alltså ett par atomlager för att få nya effekter, som till exempel ökad känslighet.

IBM blandar sig i leken


IBM har en lång historia av grundforskning, under senare år särskilt inom nanotekniken och arbetet med tunnelmikroskopet (Scanning Tunneling Microscope) och dess olika avarter.

Nobelpristagarnas ursprungliga försök hade rört sig i mycket låga temperaturer, låga tryck och med mycket exotiska material, material som förmodligen aldrig skulle kunna massframställas. Stuart Parkin på IBM ville göra det snabbt och enkelt och använde mindre perfekta metoder än nobelpristagarna, nämligen standardmetoder för att tillverka ytor på hårddiskar, men det visade sig fungera ändå. Hårddiskens yta är inte heller så enkel som man kunde tro, se nedan.

Nobelpristagarna jobbade på saken redan på 1990-talet och tillsammans med Parkin, som är IBM Fellow, vann de det prestigefyllda Hewlett-Packard Europhysics Prize 1997 för upptäckten av GMR. Nobelpriset för samma sak kom alltså 10 år senare.


IBMs Stuart Parkin (höger) och en student från Stanford tittar ned i en ny sexkammars sputterapparat där man kan välja och vraka bland olika nanoteknikmaterial, skapa nya material, sputtra dem och sedan analysera resultatet. Det hela är lite mer av en serietillverkningsprocess än tidigare och experimenten går fortare. Apparaten står på IBMs avdelning SpinAps där man forskar på spinntronik.

Lord Kelvin hade använt sig av en järnbit, men det visar sig att effekten blir mycket kraftigare om man lägger två bitar bredvid varandra, varav bara den ena påveras av det vridbara magnetfältet, alltså det man vill läsa av, medan den andra hålls låst i ett fast magnetfält.

Läskretsen måste vara liten, i mikrometerområdet, eftersom databitarna är så små. De magnetiskt aktiva skikten blir då tunna, på atomlagernivå, alltså nanoteknik. I sökandet efter en lämplig sensor för hårddiskar som kunde arbeta med svaga magnetfält i rumstemperatur riktade man in sig på enklast möjliga konstruktion: två magnetiska lager åtskilda av ett avståndslager för att den magnetiska kopplingen mellan lagren skulle bli svag.

De metallfilmer man numera använder sig av är mycket tunna och toleranserna är stränga. Magnetfältet i ett av lagren låses fast i en riktning med hjälp av ett fjärde lager, en stark antiferromagnet. Det antiferromagnetiska ämnet tycks ofta vara nickeloxid (NiO) eller järn-mangan (FeMn, 275 ångström tjockt) och det har en förmåga att låsa (”pin”) elektronspinnet i det ferromagnetiska lagret av kobolt (Co, 30 Å) alldeles intill. Därefter kommer avståndslagret av koppar (Cu, 20 Å) och det lager som slutligen påverkas av magnetfältet från disken, bestående av kobolt (Co, 2 Å) och nickel-järn (NiFe, 70 Å). Avståndslagret är mindre än 15 atomlager tjockt.

När ett svagt magnetfält, som det som kommer från en databit i magnetskiktet på en hårddisk, far förbi en sådan struktur på några nanometers avstånd (luftkudden som huvudet svävar på) kommer magnetfältet i det olåsta lagret att följa databitens fält och vridas i förhållande till det låsta lagret vilket ger en väsentlig förändring av den elektriska resistansen, alltså GMR-effekten. Det låsta lagret är svårare att vrida på grund av att det har mycket högre hysteres, alltså gör motstånd mot att byta polaritet. IBM kallar denna ”strömbrytare”, om man så vill, för en spinnventil (”spin valve”).

Ursprunget till GMR är elektronernas spinnberoende spridning i ledaren. Elektroner som inte går rakt fram utan sprids och studsar hit och dit upplever ökad resistans, precis som beskrivits ovan. Skillnaden är att elektronerna nu inte studsar och sprids av orenheter utan av magnetiska effekter.

Elektronernas spinn är en kvantfysisk egenskap där en elektron kan liknas vid en liten magnet med nord- och sydpol. I ett magnetiserat lager kommer nästan alla ledningselektroner att rikta in sina spinn utefter magnetfältet. Beroende på magnetfältets riktning kommer ett material med bara ett enda ledande skikt att sprida elektroner med uppspinn och nedspinn på olika sätt.

Lägger man på en spänning över en spinnventil kommer elektronerna i strömmen (I-bias i bilden nedan, som blir följden av spänningsskillnaden mellan ventilens båda ändar) att behålla sitt spinn inriktat med magnetfältet när de rör sig genom ledaren. De rör sig snabbt framåt, vilket är detsamma som låg resistans.

Skulle dessa elektroner stöta på ett material magnetiserat åt motsatt håll, eller om de tillhör det fåtal som har motriktat spinn, måste de vrida sitt spinn för att kunna passera det nya materialet. Det är denna vridnig som förbrukar energi, som får materialet att ha högre resistans än om de båda lagren vore magnetiserade åt samma håll.

Om de båda magnetiska skikten i en GMR-enhet är magnetiserade i motsatt riktning kommer dess resistans att vara hög eftersom elektroner med till exempel uppspinn som inte sprids i det ena lagret, kommer att spridas i det andra. När de båda lagren är magnetiserade åt samma håll kommer elektroner med uppspinn inte att spridas så mycket oavsett vilket lager de rör sig igenom. Resultatet är en lägre resistans.

Den mekaniska uppbyggnaden är ganska enkel, iallafall om man ser det så här schematiskt. Det antiferromagnetiska lagret (exchange layer) är lila, det låsta lagret (pinned layer) är grått, det ledande avståndslagret (conducting spacer) är orange och det påverkbara lagret (sensor layer), sist, är blått. Pilarna utvisar magnetfältens riktningar. De röda tjocka staplarna är tilledarna som förser sensorn med drivström (I-bias), den ström man mäter för att ta reda på vilket magnetfält som snurrar fram under läshuvudet, nedåt i bilden. I den översta delbilden visas det antiferromagnetiska lagret inte (exchange layer not shown) men det skulle ligga allra längst bak.

IBMs spinnventil är mycket känsligare än den GMR-metod som nobelpristagarna tog fram, eftersom man har löst problemet med att hålla kvar magnetiseringsriktingen i det antiparallella skiktet och ändå hålla ned magnetfälten. Magnetfältet på ytan av en hårddisk är mycket litet. Med en känsligare metod kan man skruva upp förstärkningen eller minska insignalen och få samma resultat, dvs man kan minska de magnetiska bitarnas fysiska storlek och ändå läsa dem tillförlitligt. Resistansändringen rör sig numera mellan 50-80% och det är därför metoden fått namnet jättemagnetresistans.

I serieproduktion framställs GMR-sensorerna i stora flak som täcks med masker och sputtras med metaller i en process som i princip liknar halvledarframställning.

Utvecklingen har inte stått still heller. Ännu högre packningstätheter har möjliggjorts av EMR (extreme magnetoresistance), där man kör strömmen tvärs igenom de tre sikten, det låsta, avståndsskiktet och sensorskiktet, eller tunnelprincipen där man byter ut det ledande avståndsskiktet mot ett isolerande skikt som elektronerna kan tunnla igenom.

Disken inte heller så enkel


Det var länge sedan själva disken bara var en aluminiumplatta med ett järnoxidlager, den typiska rödbruna disken man kunde se i gamla hårddiskar, hårddiskpackar från stordatorer, eller glorian runt Richard M Stallmans huvud.

För att klara de svagare magnetfälten och högre packningstätheterna och för att framför allt fungera med vertikal magnetisering har magnetskiktet också genomgått en smärre revolution. Det består ofta av upp till fem lager, utöver substratet, som numera inte alls är aluminium, utan glas.

Det är två magnetiserbara skikt av mycket exotiska material, nämligen kobolt-platina-krom-bor (Co-Pt-Cr-B) åtskilda av ett 6 ångströms skikt av rutenium. Under dessa finns ett stödlager av krom och slutligen glasskiktet. Ovanpå de magnetiska lagren har man också ett smörjskikt på några nanometer.

Uppbyggnad och storleksförhållanden


I princip är ett kombinerat läs- och skrivhuvud uppbyggt så här. GMR-cellen sitter mellan två elektriska skärmar, varav den ena också råkar vara magnetpol för skrivmagneten. Skrivning sker fortfarande med en spole lindad runt en minimal elektromagnet.

Storleksförhållandena är dock i verkligheten lite annorlunda. GMR-elementet är mycket litet i förhållande till magnetspolen. Skrivhuvudet, eller ”slidern” utgörs av alla de tre delarna, substratet man bygger allting på (wafer substrate), GMR-elementet, spolen (coil) och täcklacken ovanpå (overcoat). Men egentligen är även detta bara schematiskt. De verkliga avstånden visas i nästa bild.

En mikroskopbild av IBMs hårddiskhuvud med GMR-teknik. Skrivströmmen matas genom den stora, platta (mörkblå) spolen, vilket inducerar ett magnetfält i magnetmaterialet (gult), som i sin tur koncentreras i skrivgapet som är längst ned i bild. Skivytan löper fram alldeles nedanför bildens kant. GMR-elementet sitter precis bakom gapet, den svarta triangeln. Det är inte stort!

Tre lösa läshuvuden, sk nanosliders, på en amerikansk 25-centare. GMR-sensorn är så liten att den inte syns i sammanhamnget. Det man ser är substratet.

Diagrammet visar generellt hur avstånden krympt inuti hårddiskarna under åren. 1994 låg densiteten på 3 Gbit/kvadrattum och avstånden var i räjongen 40 nanometer (flyghöjder, tjocklekar mm). 1999 när GMR uppfanns låg densiteten runt 30 Gbit/kvadrattum. Idag ligger vi runt 150-200 Gbit/kvadrattum och alla avstånd är nere på kring 1 nanometer. En nanometer är långt, långt under en ljusvåglängd. De blå och röda namnen är motsvarande kommersiella hårddiskprodukter.

Några viktiga avstånd i hårddiskar i detalj, uppställda mot den magnetiska packningstätheten. Eftersom vi passerat 100 Gbit/kvadrattum idag har vi hamnat nedanför den nedersta tabellraden. Flying height, flyghöjden, har idag alltså hamnat under 6 nanometer. Slider overcoat thickness är täckskiktet ytterst på läshuvudet, som ligger under 1 nanometer. Det är inte många atomalger.

Världsrekord


IBM slog 1999 världsrekord i packningstäthet. Bilden visar två spår på en hårddisk. Det översta är världsrekordet på 35 gigabit per kvadrattum, som var tre gånger tätare än dåtidens mest avancerade kommersiella produkter. Det undre spåret håller 23 Gbit/kvadrattum. Bilden skapades i ett magnetkraftsmikroskop (MFM), en typ av STM (Scanning Tunneling Microscope) som känner magnetfält istället för elektriska fält. Bildens bredd är 1,85 mikrometer, ungefär femtiondelen av diametern på ett mänskligt hårstrå. Fast det var då det. Idag är vi uppe i över 100 Gbit per kvadrattum och det ökar exponentiellt.

MRAM, som DRAM fast bättre


Magnetresistansen har flera tillämpningar runt hörnet, fast vi inte har sett dem än. IBM, TDK, NEC och Toshiba håller alla på med magnetiska minneskretsar, MRAM eller MAGRAM (Magnetic Random Access Memory). Inte så att vi ska tillbaka till kärnminnena, utan nu är minneseffekten kvantmekanisk och skrivning och läsning sker genom att läs- och skrivströmmen tunnlar genom ett tunt isolerande skikt och lagras som ett riktat elektronspinn. Det har fortfarande den fördelen att informationen blir kvar när strömmen stängs av. En dator med MRAM behöver potentiellt aldrig bootas om. Allting blir kvar i minnet som man lämnade det sist, precis som med kärnminnen, förr, på den gamla goda tiden.

MRAM-minnets arkitektur består av X-Y-ledningar i matris som vilket annat minne som helst, men minnescellerna i skärningspunkterna är inte halvledare eller kondensatorer utan små magnetiska staplar.

Det icke-flyktiga MRAM lovar oändligt många skrivcykler, snabbare cykler än flashminne, stråltålighet och i övrigt ungefär samma mått som vanliga dynamiska RAM.

Minnescellen består av en antiferromagnet som håller ett vilomagnetfält i stapeln. Därpå ligger den vanliga GMR-cellen som är själva sensorn. Ovanpå denna ett mycket tunt isolerande skikt (sisådär 0,5 - 1 nm, +/- 0,1 nm), som är så tunt att elektroner kan tunnla igenom det om bara spänningen är tillräckligt hög. I moderna MRAM använder man upp till 10 olika sikt, en extra switchtransistor och en ledare till, men bilden åskådliggör principen.

Minnescellen minns på så sätt att de tre ferromagnetiska lagren kan hålla elektroner med olika spinn och elektronerna blir kvar i detta spinn, och kvar i cellen för att de inte kan röra sig därifrån. De röda bollarna symboliserar elektroner med spinnet åt ett håll, de gröna åt ett annat. Cellen minns genom att man tvingar elektronerna i det översta skiktet att spinna åt det ena eller andra hållet.

Skrivning går till så att man skickar en ström genom en y-ledning och en x-ledning, vilka båda inducerar ett magnetfält kring ledarna. Där ledarna korsas blir fältet tillräckligt starkt för att vrida fältet i lagringsskiktet i den korsande punkten. Fältet utefter bara en ledare är inte tillräckligt starkt för att vrida fältet i andra minnesceller på vägen.

Avläsning sker genom att man lägger en spänning mellan den övre elektroden och den nedre och tvingar en ström att tunnla genom isolatorn. Beroende på hur elektronerna i det övre lagret spinner kommer strömmen att möta ett högt motstånd (0) eller ett lågt (1).

Men det här är bara grunderna. Mängder av företag jobbar med MRAM och nya metoder för skrivning, som klarar nanometerstora strukturer, och ska klara sig med lägre skrivströmmar, verkar dyka upp hela tiden.

I slutänden hoppas vi på en PC som inte behöver startas om varje morgon, tackarrr.

Nobels önskan infriad


Upptäckten som ligger till grund för Nobelpriset ska vara till praktisk nytta för mänskligheten, stipulerade Alfred Nobel i sitt testamente. Jättemagnetresistansen har verkligen kommit alla (i den rika världen) till del och det med en farlig fart. Alla som idag går runt med bärbara datorer eller musikspelare med miniatyrhårddiskar har ett nanotekniskt underverk i fickan, ja musiken är faktiskt beroende av hur väl IBM lyckats stapla ett par atomlager på varandra.

Men vadå? Sådant är vårt tidevarv. Rock & roll!

Så går du vidare


Nobelstiftelsens sida: nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2007
IBMs GMR-sida: www.research.ibm.com/research/gmr.html
Hitachis GMR-förklaringssida: www.hitachigst.com/hdd/technolo/gmr/gmr.htm
Om MRAM i detalj: www.spintec.fr/IMG/pdf/MRAM_UniversalMemory.pdf

Vi kan inte gå igenom hela gymnasiekursen i fysik här, men läs gärna vidare om följande ämnen:
Magnetism: en.wikipedia.org/wiki/Magnetism
Elektronen: en.wikipedia.org/wiki/Electron
Spinntronik: en.wikipedia.org/wiki/Spintronics

Fotnot:
* Jag klagade i tidigare sammanhang på den svenska pressens oförmåga att skriva om nobelpristeknologi och folk sa ”Sluta gnälla och skriv själv”. Då gjorde jag det. Tack Diana för din inspiration. http://techworld.idg.se/2.2524/1.135503