Ο νομπελίστας και τα σκυρμιόνια

Ηταν ένα τεράστιο άλμα πρώτα στη σκέψη του ανθρώπου και μετά αυτό υλοποιήθηκε με την κατασκευή και μηχανημάτων που άλλαξαν κυριολεκτικά τη ζωή των περισσοτέρων ανθρώπων στον πλανήτη Γη. Τα στοιχεία που συγκροτούν τη γνώση γύρω από ένα θέμα της καθημερινής ζωής, ως κάποια δεδομένη χρονική στιγμή, εκφράζοταν με προτάσεις στη γλώσσα του κάθε λαού και στη συνέχεια με μαθηματικά σύμβολα. Βασικά στοιχεία στην έκφραση αυτήν ήταν τα δέκα αριθμητικά σύμβολα, από το 0 ως το 9, και οι συνδυασμοί τους. Εμφανίζεται όμως ένας άγγλος μαθηματικός, ο George Boole (1815-1864), που με τις θεωρίες του επάνω στη Μαθηματική Λογική μάς δανείζει μια νέα ματιά για να βλέπουμε τα πράγματα. Οι γνωστές ως τότε λογικές πράξεις στα σύνολα πραγμάτων ή και ζωντανών οργανισμών, π.χ. «τα άσπρα και τα μαύρα πιόνια στο σκάκι», «οι άνθρωποι που δεν έχουν ποδήλατο», μπορούσαν πλέον να παρουσιάζονται στο χαρτί και στους αντίστοιχους υπολογισμούς μας με απλά σύμβολα και αυτά να παίρνουν μέρος σε μαθηματικές εξισώσεις. Πολύ πιο απλές από τις ως τότε γνωστές, γιατί αυτές τα μοναδικά αριθμητικά σύμβολα που χρειάζονταν ήταν δύο, το «0» και το «1». Αργότερα κατασκευάστηκαν ηλεκτρικά κυκλώματα που μπορούσαν να δέχονται στην είσοδό τους σήματα αντίστοιχα στο 0 και στο 1 και στην έξοδο η απάντησή τους να είναι επίσης δοσμένη με 0 και 1. Εκεί πολλοί άνθρωποι είδαν τη μεγάλη ευκαιρία. Να δομηθεί μια γλώσσα με μοναδικά «γράμματα» το 0 και το 1, να κατασκευαστούν στη συνέχεια και μηχανήματα που να «καταλαβαίνουν» αυτή τη γλώσσα και να λειτουργούν με ηλεκτρικά σήματα που θα αντιστοιχούσαν στο 0, στο 1 και σε συνδυασμούς αυτών των δύο. Γιατί ήταν γλώσσα πολύ απλή, αλλά με αντιστρόφως ανάλογη δυναμική. Συσσωρεύοντας μηδενικά και άσους σε κατάλληλους συνδυασμούς μπορούσες να αναπαραστήσεις τον κόσμο ολόκληρο. Αρκούσε λοιπόν να βρεις κάτι που να έχει δύο και μόνο δύο καταστάσεις για να αναπαραστήσεις τον κόσμο. Αυτή ήταν η λεγόμενη δυαδική ψηφιακή αναπαράσταση. Φωτογραφίες, μουσική, κείμενα και χρώματα μπορούσαν να έχουν το δικό τους… είδωλο φτιαγμένο από μηδενικά και άσους. Και το μηχάνημα που έφτιαχνε πιο γρήγορα και πιο αξιόπιστα τέτοια είδωλα ήταν η ψηφιακή υπολογιστική μηχανή, η Αυτού Μεγαλειότης το κομπιούτερ.

Βασικό κομμάτι του κομπιούτερ από την αρχή η μνήμη του. Το φαινόμενο του μαγνητισμού έπαιξε εδώ σημαντικό ρόλο, με τις πρώτες μνήμες να αποτελούνται από μεταλλικούς δακτυλίους που μπορούσαν να βρεθούν σε δύο διαφορετικές καταστάσεις (όχι ταυτόχρονα). Που, όπως εύκολα καταλαβαίνει ο καθένας, αντιστοιχούσαν στο 0 και στο 1. Από το 1970 όμως και μετά οι δακτύλιοι ήταν παρελθόν. Περάσαμε στην εποχή του μαγνητικού δίσκου και της δισκέτας. Μια κεφαλή από μεταλλικό μαγνητιζόμενο υλικό περνάει επάνω από περιοχές προς δύο διαφορετικές κατευθύνσεις μαγνητισμένες. Προφανώς η μία αντιστοιχεί στο 0 και η άλλη στο 1. Για να μεγαλώσει η χωρητικότητα του δίσκου οι δύο περιοχές θα πρέπει να μικρύνουν. Αυτό όμως δεν μπορεί να γίνεται επ’ άπειρον και να στηρίζεσαι στις δύο καταστάσεις «υπάρχει – δεν υπάρχει ηλεκτρικό φορτίο». Επρεπε να βρεθούν και άλλοι τρόποι.

Το 1857, όταν ακόμη οι υπολογιστές δεν ήταν καν επιστημονική φαντασία, ο λόρδος Kelvin δημοσίευε ένα άρθρο όπου η βασική ιδέα είχε να κάνει με τη μεταβολή της αντίστασης σε έναν αγωγό όταν αυτός βρισκόταν σε ένα μαγνητικό πεδίο. Είχε από τότε διαπιστωθεί ότι ένα μαγνητικό πεδίο μπορεί να επηρεάσει τη ροή του ρεύματος στον αγωγό αυξάνοντας ή μειώνοντας την αντίστασή του. Δηλαδή, όταν οι γραμμές που δείχνουν την ένταση του μαγνητικού πεδίου είναι παράλληλες με τη διεύθυνση του ρεύματος στον αγωγό, τότε η αντίσταση ελαττώνεται. Οταν είναι κάθετες, η αντίσταση αυξάνεται. Από το 1970 λοιπόν μπορούμε να πούμε ότι η νανοτεχνολογία έδειξε ότι θα μας ξεκλείδωνε ένα κουτί γεμάτο εκπλήξεις. Ενα νανόμετρο είναι ένα δισεκατομμυριοστό του μέτρου. Δύσκολο να το συλλάβεις, και όμως σε αυτά τα μεγέθη άρχισαν να κατασκευάζουν στα εργαστήρια της Γαλλίας, της Γερμανίας και της Ιαπωνίας υλικές επιφάνειες με πάχος μόλις μερικών ατόμων. Και τότε η ύλη έδειξε σε μερικές περιπτώσεις νέες συμπεριφορές. Στο κάδρο όμως τώρα μπαίνει και ο μαγνητισμός του υλικού. Ψάχνουμε λοιπόν να βρούμε κάτι άλλο που να παρουσιάζεται σε δύο καταστάσεις. Και το βρίσκουμε στο ηλεκτρόνιο. Ενα απειροελάχιστο σωματίδιο και αυτό. Το οποίο μαθαίνουμε στο σχολείο, χωρίς ποτέ και να το καταλάβουμε καλά, ότι έχει «σπιν». Βέβαια κάτι που είναι τόσο μα τόσο μικρό δεν μπορεί να είναι ρεαλιστικό να το θεωρούμε ότι στρέφεται γύρω από τον εαυτό του όμοια με μια παιδική σβούρα. Μπορούμε όμως να έχουμε στο μυαλό μας ότι συμπεριφέρεται σαν ένας μικροσκοπικός μαγνήτης που έχει τεθεί σε περιστροφική κίνηση και την κίνησή του αυτή την περιγράφουμε χρησιμοποιώντας εξισώσεις Κβαντικής Μηχανικής, δηλαδή κατάλληλες να περιγράφουν τη συμπεριφορά όσων σωματιδίων κινούνται στον μικρόκοσμο. Ετσι το ηλεκτρόνιο σαν μαγνήτης θα μπορούσε με τον βόρειο πόλο του να δείχνει προς τη μία ή προς την αντίθετη (180 μοίρες αντίθετα) κατεύθυνση. Να λοιπόν και εδώ οι δύο καταστάσεις που πάντα ψάχνουμε. Εντελώς σχηματικά τις αποκαλούμε «επάνω» και «κάτω». Και έτσι αποκτούν δυνατότητα για μεταφορά πληροφορίας. Το πλεονέκτημά του απέναντι στο φορτίο είναι το ότι μπορείς να το κατευθύνεις πολύ πιο εύκολα με ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Οπως είπε στο «Βήμα» ο Albert Fert, που τιμήθηκε με το βραβείο Νομπέλ Φυσικής του 2007 για τις εργασίες του στη λεγόμενη Γιγάντια Μαγνητο-αντίσταση (Giant Magneto-Resistance, GMR): «Το σπιν να το έχουμε στο μυαλό μας όπως τη μάζα. Ακολουθεί ένα σωματίδιο όπως το ηλεκτρόνιο παντού και δεν μπορείς να το ελαττώσεις ή να το αυξήσεις, μόνο να του αλλάξεις κατεύθυνση». Σε ένα μαγνητικό υλικό, δηλαδή ένα υλικό τα ηλεκτρόνια του οποίου επηρεάζονται εύκολα από τα διάφορα μαγνητικά πεδία, καθώς αυτά κυκλοφορούν στο εσωτερικό του αγωγού αλλάζουν τροχιά ακολουθώντας την κατεύθυνση ενός μαγνητικού πεδίου, που μπορεί να υπάρχει έξω από τον αγωγό. Αυτό επηρεάζει την αντίσταση του αγωγού, αφού η αντίσταση δεν είναι άλλο από την έκφραση των δυσκολιών που συναντούν τα ηλεκτρόνια καθώς «ρέουν», δημιουργώντας ηλεκτρικό ρεύμα μέσα από έναν αγωγό. Δηλαδή ανάλογα με το σπιν άλλα συναντούν μεγαλύτερη και άλλα μικρότερη δυσκολία. Οταν τα επηρεάζει και το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο αυτή η αντίσταση μπορεί να ρυθμίζεται αποκτώντας μέγιστη και ελάχιστη τιμή. Αυτά όμως δεν εκδηλώνονταν και τόσο καλά σε συνηθισμένους αγωγούς. Ο Albert Fert με την ομάδα του όμως κατάφερε να φτιάξει αγωγούς με πάχος μόλις μερικών ατόμων. Εφτιαξε λοιπόν ένα πρώτο σάντουιτς όπου τον ρόλο του τυριού στη μέση τον είχε ένα μη μαγνητικό υλικό και αυτό το έβαλε ανάμεσα σε δύο μαγνητικά υλικά.

Μαγνητίζουμε τα δύο εξωτερικά στρώματα που είναι από μαγνητικό υλικό με την ίδια φορά. Τα περισσότερα ηλεκτρόνια θα έχουν σπιν προσανατολισμένο με το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο και θα περάσουν εύκολα από το πρώτο στο τρίτο στρώμα μέσα και από το μεσαίο, με πολύ μικρή αντίσταση. Αν όμως στο ένα από τα δύο αλλάξουμε τη φορά μαγνήτισης, τότε φθάνοντας στο τρίτο στρώμα θα βρεθούν σε αντίξοες συνθήκες και η ροή θα περιοριστεί αισθητά. Να λοιπόν που έχουμε και εδώ δύο ακραίες καταστάσεις, με διαφορά κάπου 50%, άρα ό,τι πρέπει για τα ψηφιακά μας σήματα με το 0 και το 1. Σε αυτή μάλιστα τη διαφορά οφείλει το φαινόμενο και το πρώτο συνθετικό: «γιγάντιος» (giant). Ο Fert και η ομάδα του κατάφεραν να τοποθετήσουν κάπου τριάντα τέτοια τόσο λεπτά στρώματα μαζί για να είναι αισθητά τα αποτελέσματα, και από τη δεκαετία του ’80 οι μαγνητικές κεφαλές ανάγνωσης δεδομένων πολύ πιο πυκνά τοποθετημένων στους δίσκους άρχισαν να κατασκευάζονται με αυτή την τεχνολογία. Τα πράγματα όμως δεν έμειναν εκεί και ένας ολόκληρος νέος κλάδος μικροηλεκτρονικών εξαρτημάτων γεννήθηκε, με στόχο τη μείωση του όγκου των αποθηκευτικών μέσων. Η Σπιντρονική, μετά την Ηλεκτρονική που έχει κινητήριο μοχλό το φορτίο του ηλεκτρονίου, ασχολείται με το πώς μπορούμε να επωφεληθούμε από το σπιν του ηλεκτρονίου, όπου η κατεύθυνσή του παρουσιάζει πολύ μικρότερες ενεργειακές απώλειες.

Στη σύντομη συνομιλία μας με τον Albert Fert στο κέντρο του ενδιαφέροντος ήταν τα σκυρμιόνια. Μια θεωρητική ανακάλυψη του άγγλου φυσικού Tony Skyrme, από το 1962. Kάτι σαν ένας κόμπος ατόμων μέσα σε κρυσταλλικό πλέγμα, με ιδιαίτερης μορφής μαγνητικά πεδία, και μόλις το 2009 οι ερευνητές, με πρώτους μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Αμβούργου, να βεβαιώνονται, αφού πέρασαν τρία χρόνια, ότι πραγματικά μπορεί να δημιουργείται, να υπάρχει και να καταστρέφεται αυτός ο «κόμπος». Οσοι θέλουν να βλέπουν μακριά κάνουν λόγο για φορητούς υπολογιστές με σκληρό δίσκο στο μέγεθος ενός φιστικιού και κατανάλωση 100.000 μικρότερη από τη σημερινή! «Εχουν διαφορετική τοπολογία» μου λέει ο καθηγητής Fert, και για να το εξηγήσει καλύτερα θυμίζει την ταινία του Moebius. Μια συνηθισμένη ταινία από χαρτί όταν τη συστρέψεις μία φορά και κολλήσεις τα δύο άκρα της μεταξύ τους, τότε αποκτά περίεργες ιδιότητες, σαν να βγαίνει από τον χώρο όπου ζούμε και να μπαίνει σε έναν άλλον. Εχει, για παράδειγμα, όπως λέμε στα Μαθηματικά, αλλάξει η τοπολογία της, έχει πλέον μία μόνο όψη αντί για δύο, αφού μπορείς να τη βάψεις ολόκληρη χωρίς να σηκώσεις καθόλου το πινέλο. Αλλάζει η τοπολογία και στα σκυρμιόνια, κάνοντας πολύ δύσκολη τη μελέτη τους, αλλά όπως λέει ο καθηγητής «μπορείς να φτιάξεις στρώματα πολύ πιο λεπτά και πιο εύκολα να κατασκευαστούν και να εμφανιστούν εκεί, να έχεις και ρεύματα πολύ πιο χαμηλής έντασης. Παρουσιάζουν πολλά πλεονεκτήματα». Μέσα σε ένα πεδίο τα μαγνητικά σπιν των σωματιδίων μπαίνουν σε μία κατεύθυνση. Σε ένα σκυρμιόνιο όμως δεν έχουν μπει όλα σε μία κατεύθυνση, αλλά το ένα με το άλλο έχουν μια μικρή διαφορά ως προς την κλίση τους και αποτελούν ένα σχετικά συμπαγές μόρφωμα. Τα σκυρμιόνια δημιουργήθηκαν και παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά όταν κατασκευάστηκε μεμβράνη από παλλάδιο και σίδηρο με πάχος μόλις δύο ατόμων, και ψύχθηκε κοντά στο απόλυτο μηδέν, δηλαδή τους -273 βαθμούς Κελσίου. Τότε εμφανίστηκαν σε αυτήν σκυρμιόνια. Αυτά μπορούν να είναι σε μια απόσταση ακόμη και 6 δισεκατομμυριοστών του μέτρου χωρίς πρόβλημα, όταν σήμερα η ελάχιστη απόσταση στις συνηθισμένες μνήμες είναι 25 δισεκατομμυριοστά. Το μεγάλο βήμα θα γίνει βέβαια όταν αυτά θα δημιουργούνται σε κανονικές θερμοκρασίες περιβάλλοντος. Προφανώς εκεί που υπάρχει σκυρμιόνιο θα αντιστοιχεί το 1 και όπου απουσιάζει το 0, ενώ με μια δέσμη ηλεκτρονίων μπορούν ήδη να τα εξαλείφουν. Στο κοντινό μέλλον θα μάθουμε αρκετά περισσότερα για τα σκυρμιόνια, μας διαβεβαιώνει ο κ. Fert, ενώ δεν παραλείπει να μας πει ότι γνωρίζει εξίσου καλά με τα μαγνητικά πεδία και τις ομορφιές της Πελοποννήσου, αφού είναι τακτικός επισκέπτης της Ελλάδας.

Για τον Albert Fert
Ο Albert Fert είναι ο επιστήμονας που βρίσκεται «μέσα» σε κάθε σκληρό δίσκο αποθήκευσης δεδομένων, βραβευμένος με το Βραβείο Νομπέλ Φυσικής το 2007 για την ανακάλυψη του μαγνητικού αισθητήρα που επιτρέπει την ανάγνωση του 0 και του 1 σε μεγέθη νανομέτρου.

Σήμερα τα ερευνητικά ενδιαφέροντά του αφορούν το πεδίο των «Σπιντρόνικς». Αυτό αποτελεί εξέλιξη της ιδέας του μαγνητισμού που βασίζεται στην περιστροφή των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα των ατόμων και στην οποία λαμβάνεται επιπλέον υπόψη η στροφορμή των ηλεκτρονίων, που αποκαλείται σπιν. Ο καθηγητής Αlbert Fert επεξέτεινε το πεδίο σε μια νέα περιοχή που ονομάζεται «Σπιν-τροχιακή στροφορμή» (Spin-οrbitronics) με εφαρμογές σε νέες μαγνητικές μνήμες με ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας, σε ταχύτερους επεξεργαστές Η/Υ, σε εφαρμογές διαχείρισης ενέργειας κ.λπ.