A 2007-es Fizikai Nobel-díj

Az előadások a következő témára: "A 2007-es Fizikai Nobel-díj"— Előadás másolata:

1 A 2007-es Fizikai Nobel-díj

2 Az iránytű, ami megváltoztatta a világot
Kínai iránytű (Shen Kua, 1088) Portugál iránytű (XV. sz. vége) A világ első iránytűje (Wu Csing Csung Yao, 1040) Az úszó halat formáló vaslemez, amelyet a Wu Csing Csung Yao könyv említ 1040-ben, a világ első ismert iránytűje ban a szintén kínai Shen Kua felfüggesztett iránytűt ír le. Az iránytű megváltoztatta a világot. Az tette lehetővé, hogy Kolumbus hajója, a Santa Maria éjjel és nappal Nyugat felé hajózzon mígnem baj nékül kikötött az Újvilágban Hispaniola szigetén. A kínai dzsunkák a kompasz segítségével fedezték föl Kambodzsát, Ceylont, Jávát és Afrikát. <klikk> Jelenleg az északi mágneses pólus Kanada területén van, 1600 km-re van az Északi Sarktól, a déli pólus 2600 km-re a Déli Sarktól. Évente akár 10 km-t is vándorolhatnak.

3 Mi a kapcsolat közöttük?
Ferrofolyadék Mágneses akna, 1943 Cunami 2006.dec.26. Aceh, Indonézia Merevlemez

4 Louis Néel és a mágnesesség
( )  = 0exp(/kBT) Aceh, Indonézia 2006.dec.26.

5 Poisson, Fresnel, Fourier, Laplace, Biot, Savart, Arago, Ampére
Mágnesség: Talány? Bohr, Dirac, Heisenberg Nem, kvantumjelenség Poisson, Fresnel, Fourier, Laplace, Biot, Savart, Arago, Ampére Maxwell Faraday Oersted P : elektronspin polarizáció Nem is tudománytörténeti visszatekintés az, ami nem úgy kezdődik, hogy „már a régi görögök is”... A mágnesvasérc vonzó hatása a történészek szerint már Krisztus előtt 800 körül mind Kínában, mind Európában ismert volt. Plinius pl. beszámol egy Magnes nevű pásztorról, aki nyája terelgetése közben jancsiszöges csizmájával rálépett valami sziklára, ami megfogta és a legenda szerint oda is ragadt. Az ősi Egyiptomban a mágnesvasércet Haroeri, a földisten unokája csontjának tartották. Thales úgy gondolta, a mágnesvasércnek lelke kell legyen, de Arisztotelészt is megihlette a probléma: A mozdulatlan mozgató filozófiai lehetetlenségéből kiindulva állította, hogy a mágnes és az általa vonzott tárgy között valamilyen közvetítőnek kell lennie. E gondolatok hatása egészen a 20. századig fennmaradt és a hallgatóság sorai között rajtam kívül is talán vannak olyanok, akiket legalábbis tanított az ELTE-n Jánossy Lajos professzor, a KFKI akkori igazgatója, és aki haláláig meg volt győződve az éter létezéséről. Mindenesetre a 19. században Poisson, … és különösen a képen látható urak, Oersted, Faraday és Maxwell munkássága eredményeképpen az elektromágnesség elmélete kialakult és számos, mondhatni szinte minden jelenség magyarázhatóvá vált. Nem véletlenül írta híres előadássorozatának könyvváltozatában R.P. Feynman, hogy… De a permanens mágnesség jelensége masszívan magyarázat nélkül maradt. Ha Maxwell egyenletekben szereplő áram kelti a vas mágnességét, 1,76 MA áramnak kell folynia. Akkor pedig a vasnak nyomban el kellene párolognia. A megoldást a 20. század és a kvantummechanika hozta. Bohr, Dirac és Heisenberg munkássága nyomán kalakult az a fizikai kép, miszerint az elektronnak az atomi pályákon való mozgása és saját perdülete révén is mágneses momentuma van, valamint, hogy az elektronok nem lehetnek azonos kvantumállapotban, általában nem lehetnek azonos energiaállapotban sem. A mágneses anyagokban a lehetséges betölthető állapotok, amelyeket az ábrán a mágneses térhez képest parallel és antiparallel álló elektrononspinekhez tartozó félparabolák jeleznek, nem azonos számú állapotot tartalmaznak (a számot a vizszintes nyíl mutatja), ezért a ferromágnesben eleve nem azonos számú elektron van a két állapotban, hanem eredő spinpolarizációjuk van. R. Feynman: „ten thousand years from now, there can be little doubt that the most significant event of the 19th century will be judged as Maxwell's discovery of the laws of electrodynamics" De! Fe: A/m! Óriási hőfejlődés! És klasszikusan NINCS mágnesség

6 A mágneses viselkedés típusai
A különböző anyagok mind valamilyen módon válaszolnak a külső mágneses hatásra, mondhatjuk: mind valamilyenfajta mágnes. Egzotikus osztályozásoktól eltekintve a mágnesség az itt látható alapvető típusokba sorolható.

7 Permanens mágnesek: a {H·B} energiaszorzat növekedése
Kicserélődési keményedés nanofázisú kétalkotós rendszerekben: Kemény fázis: nagy Hc Lágy fázis: nagy MS 1J 1J 1J Mágnestérfogatok azonos mágneses energiához R. Skomski and J. Coey: PRB 48, (1993)

8 Fe FePt Kemény/lágy mágneses kettősrétegek spinszerkezete
Fe a FePt tetején Lágy mágnes – Fe Kemény mágnes – FePt egytengelyű anizotrópiával Kicserélődési csatolás a rétegek határán: Fe és FePt momentumok párhuzamosan állnak A réteghatártól távolabb a csatolás csökken A külső H mágneses tér spirális momentumprofilt hoz létre H = 0-nál visszaáll a párhuzamos beállás Fe FePt Kicserélődési rugó típusú mágnes vizsgálata a szinkrotronsugárzás nukleáris rezonanciaszórásával

9 Kicserélődési rugó mágnes belső szerkezete:
160 mT 240 mT 500 mT Kicserélődési rugó mágnes belső szerkezete: Fe / FePt

10 Merevlemez-technológia ma és holnap
Síkbeli bitek Hagyományos, tovább nem miniatürizálható (szuperparamágneses határ: KuV~25kBT) Merőleges bitek Nagy mágneses anizotrópiájú anyagból tovább sűríthető (CoPt, FePt, CoPd, FePd…) A következő generációs adathordozó: síkban rendezett L10 nanokristályok ~ 10 nm egyenletes méret alacsony rendeződési hőmérséklet jó mágneses tulajdonságok

11 Babonák, sarlatánok, örökmozgó
Megadott USA szabadalom mágneses örökmozgóra (1979) Berlini képeslap, 1920 Mielőtt új komoly témára térnénk, álljunk meg egy pillanatra és idéézünk föl momentumokat a mágnesség korai történelméből. A mágnes úgy vonzotta a babonákat, mint a vasreszeléket: Használták mindenféle betegség gyógyítására, hipnózisra, mi több, egy bizonyos Dr. James Graham 1800 körül egy londoni divatos udvarházban felállított egy Királyi Patagon mágneságyat, amit egy éjjelre 50 guineaért adott bérbe és amit úgy hirdetett, hogy minden gyermek, akinek ott volt szerencséje megfoganni, különleges képességekkel fog rendelkezni. De más praktikákra is használták a mágneseket: azt tartották pl., hogy a hűtlen asszony párnája alá tett mágnes bevallatja vele a bűnét álmában. Még ennél is egzotikusabb, hogy tilos volt a matrózoknak a tengeri úton fokhagymát enni, mert bizonyosnak gondolták, hogy lehelete lemágnesezi az iránytűt és a hajó odavész a végtelen tengeren. Ezen babonák karikatúrájaként készült az 1920-as években az Einsteit egy mágneses autóban ülve ábrázolja, amint Münchausen gróf módjára húzatja magát egy mágnespatkóval. De vigyázat, szkeptikusok, még 1979-ben is lehetett szabadalmi védelmet kapni az USA-ban mágneses örökmozgót megvalósító autóra.

12 A GMR, ami megváltoztatta a világot
Mágneses tárolás, MRAM Mágneses olvasófejek: Óriás mágneses ellanállás (GMR) (…TMR, stb.) jelensége alapján Bitsűrűség növekedése a mágneses tárolásban Mágneses ellenállás GMR olvasófejek bevezetése

13 Óriás mágneses ellenállás (GMR)

14 GMR spinszelep olvasófejek
Spintronika - a mikroelektronika új korszaka

15 A TMR fejlődése (alagútjel.)
Heusler ötvözetek Co2MnSi, Co2MnAl Co2FeAl, Co2FeSi, etc. Year Tohoku Fujitsu IBM MIT Sony MPI CNRS-Thales Nancy NVE AIST Fe(001)/MgO(001)/Fe(001)[2] CoFeB/MgO(001)/FeCo [1] [4] 1996 1998 2000 2002 2004 2006 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 TMR (%) at RT [5] [6] A TMR fejlődése (alagútjel.) [1] Djayaprawira et. al. APL 86, (2005)‏ [2] Yuasa et. al. Jpn. J. Appl. Phys. 43, L558 (2004)‏ [5] S. Yuasa et. Al. APL 89,  (2006) [6] N. Tezuka et.al. APL (2006) [3] Inomata et. al. J. Phys. D, 39, (2006). [4] Gercsi et. al. Appl. Phys. Lett. 89, (2006)‏

16 Spintronika ma és holnap
2010 2005 2000 1995 1990 1985 A jelenség felfedezése Ipari alkalmazás AMR jelenség (1~2%)‏ GMR jelenség (5~15%)‏ TMR jelenség (20~70%)‏ Spin transzfer Giant TMR jelenség (200~??%)‏ HDD fej MR fej GMR fej TMR fej MgO TMR fej MRAM Spin-transzfer Spin tranzisztor, Logika, stb. Új eszközök

17 A jövő – ahogy látszik jelenleg: Jelenlegi memóriák: RAM
Nobel díj Fizika A jövő – ahogy látszik jelenleg: Jelenlegi memóriák: RAM Kikapcs: felejtés Jövő TMR Diszk és memória egybeolvadása, MRAM

18

19 TMR Giant TMR Ferromagnetic/ Insulator (~1-2nm Al-O)‏
∆2 ∆1 ∆5 Ferromagnetic Heusler alloys (Co2MnSi, Co2FeSi…)‏ Incoherent or diffusive tunneling No symmetry TMR Ferromagnetic/ Insulator (~1-2nm Al-O)‏ /Ferromagnetic layer/ Pinning layer Diffusive tunneling through amorphous barrier (20-220%). Spin polarization of the ferromagnetic layers is important (Julliere model). Julliere’s theory (diffusive tunneling)‏ MR ratio = M. Julliere, Phys. Lett. 54A (1975) 225 Giant TMR Ferromagnetic/ Insulator (~1-2 nm MgO) /Ferromagnetic layer/Pinning layer Coherent tunneling through epitaxial barrier ( %).Conduction electrons whose wave functions totally symmetrical with respect to the barrier normal axis can tunnel with significant probability. Coherent tunneling of totally symmetric ∆1 Bloch states MgO(001)‏ ∆1 ∆2 ∆5 Fe(001), Co (BCC),… 4-fold symmetry

20