2009. május

Az utóbbi időben olyan kutatásokat végzünk, amelyekben az elektron töltése mellett a spinje is szerepet játszik, hiszen az elektronnak nemcsak töltése van, hanem "forog" is. Ezt a forgást nevezik spinnek, és aszerint, hogy - leegyszerűsítve - jobbra és balra forgó elektronokról beszélünk, azt mondjuk, hogy a spin állapota fölfelé vagy lefelé mutat. Persze, mindig kérdés, hogy mihez képest van "fölfelé vagy lefelé". Többnyire a külső mágneses térhez vagy egy anyag mágnesezettségének az irányához viszonyítjuk a spin irányát, de a "fölfelé vagy lefelé" általános szóhasználattá is vált. Az egyik legutóbbi Nobel-díjat spintronikai kutatásokért adták, amelyek alapgondolata onnan ered, hogy az elektronnak ne csak a töltését, hanem a forgását is használjuk ki. A töltéshez és a forgáshoz kapcsolódó jelenségkör egészen más energiaskálán mozog, így a spin-terjedésre építve az eddigiektől eltérő lehetőségek nyílhatnak meg az elektronikában.

Felvetődhet a kérdés, hogy miért csak a 2000-es években vált ilyen fontossá az elektromos vezetési jelenségekben részt vevő elektron spinje. Az atomfizikában régóta ismerik azokat a kölcsönhatásokat, amelyekben az elektronok spinje is szerepet játszik - ezen múlik például, hogy milyen mágneses tulajdonsággal rendelkezik egy atom. A szilárdtestfizikában - a mágneses jelenségeket leszámítva - korábban "nem került elő" a spin. Ennek az egyik oka természetesen az, hogy egy nem-mágneses anyagban terjedő elektron esetén nem feltétlenül nagyok ezek a kölcsönhatások. Pontosabban fogalmazva, ha a kristályaink szimmetrikusak, akkor azok az effektusok, amelyek a spinállapothoz kapcsolódnak, szimmetriaokokból kiejtik egymást. Amíg nem tudjuk megmondani, hol van az az irány, amelyhez képest definiáljuk az elektronok forgását egy kristályban, addig ugyanaz történik az egyik irányba forgó elektronnal, mint a másikkal. A legtöbb anyagunk pedig rendelkezik valamilyen szimmetriával, sőt az a ritka, ha egy anyagnak nincs inverziós szimmetriája. (Az inverziós szimmetria azt jelenti, hogy ha egy atomra - mint pontra - tükrözzük a kristályt, akkor önmagába megy át.) Azokban az anyagokban azonban, amelyek nem rendelkeznek inverziós szimmetriával, a spintől függő tulajdonságok makroszkopikus - nem csak atomi - méretben is megjelenhetnek: így láthatóvá válnak azok a jelenségek, amelyeket a szimmetria máshol elnyomott.

Ha a kétféle spinű elektron különböző módon terjed egy anyagban, akkor meg kell látnunk azt a jelenséget, amelyik az eltérő viselkedésre utal. Például ha áram folyik keresztül rajta s a jobb felé és a bal felé forgó elektronok másképpen terjednek, az egyik fölhalmozódik a minta jobb oldalán, a másik a bal oldalán. Ez pedig - függetlenül attól, hogy a különböző spinű elektronok milyen mikroszkopikus ok miatt viselkednek eltérő módon a kristályban - mágneses szétválásra vezet.

Találtak is olyan - nem mágneses - anyagot, amelyben ez a szétválás megvalósul. Ilyen a gallium-arzenid, a mostani elektronika egyik kulcsanyaga. A félvezető gallium-arzenidben a kristályszerkezet megegyezik a gyémánt szerkezetével, de a szén helyett minden második helyen gallium, illetve arzén van. Minden galliumatomot négy arzénatom vesz körül, amelyek egy tetraéder csúcsain ülnek. Ha egy tetraédernek a sarkaihoz tesszük a következő tetraédert, és folytatjuk a sort, föl tudunk építeni egy piramist. Ennek a makroszkopikus tetraédernek van egy kitüntetett iránya: ez a rendszer nyilvánvalóan nem rendelkezik inverziós szimmetriával.

A Science-ben 2004-ben számoltak be a kétféle spin szétválásának kimutatásáról. Megfigyelték a spináramot - azt az áramot, amelyik csak a spin-információt szállítja, és nem kapcsolódik hozzá töltésáram. A kísérletben mikroszkóp alatt polarizált fénnyel világították meg a mintát, amin keresztül a spináram folyt. A visszaverődő fény polarizációs síkja elfordul, ha a fény mágneses felületről verődik vissza. Ez a "magnetooptikai Kerr-effektus" ismert jelenség, ezt használták a spin szerinti szétválás kimutatására. Nem akármilyen mérés volt: a polarizáció síkja alig egyszázad fokot fordult el.

Fölvetődhet a kérdés, hogy miért érdekes nekünk ez a jelenség, ha már kimutatni is ilyen nehéz. Hogyan lesz belőle alkalmazás?

Mindig törekednek az alkalmazásra?

Ennek az igénye állandóan fölvetődik. Mi alapkutatást folytatunk, de meg kell jelennie valamilyen közeli vagy távlati alkalmazási lehetőségnek, és manapság ezek az alkalmazások már szinte mindig közeliek. Az értékes ötletekből öt-tíz éven belül alkalmazások lesznek, ha ezt a technológia lehetővé teszi.

Kimutatták tehát, hogy egy nem mágneses rendszerben az eltérő spinű elektronok másképpen viselkednek. Keressünk akkor olyan rendszert, ahol eleve eltérő számban vannak a különböző spinű elektronok. Ezek a mágneses anyagok, itt nemcsak spinszétválás jön létre, hanem ezzel együtt töltésszétválás is. Ennek az az oka, hogy több elektron spinje mutat a mágneses tér irányába (felfelé), mint ellentétes irányba (lefelé). A különbség a minta mágnesezettségétől függ, ezt pedig rögtön megmérhetjük a spinállapot szerinti töltésszétválás alapján, ami a "fel" és "le" spinű elektronok számának különbsége miatt ezúttal már elektromos jelet is kelt.

Mi éppen olyan mágneses félvezetőket tanulmányozunk, ahol a töltésszétválás miatt elektromos jellel tudjuk mérni a mágnesezettséget. Kiderült, hogy a mágnesezettség mérése elektromos úton sokkal egyszerűbb, pontosabb és gyorsabb, mint bármilyen más eljárással, például a korábban említett optikai módszerrel.

Az optikai kísérletben a polarizációs sík néhány század fokos elfordulása (ČKerr) arányos a mágnesezettséggel, segítségével tanulmányozni lehet például a mágneses hiszterízis-hurkokat. Ebben a kísérletben ráadásul pontosan "azt mérjük, amit látunk", a felületi rétegek által visszavert jelet. A vizsgált félvezető rétegek 20-30 nanométer vastagok, ezért mindig egy hordozó lapon ülnek. Mágnesezettségüket nem is nagyon lehet másképpen megmérni, mint optikai úton, mert a néhány tized milliméter vastag hordozó jele a szokásos mágneses mérésekben elnyomja a számunkra érdekes száz atomsornyi félvezető kristálynak a jelét. Jóllehet az optikai mérés ideálisnak tűnik, az eltérő spinű elektronok keresztirányú szétválását detektáló elektromos kísérlet (ńH) sokkal pontosabb eredményt ad. Ráadásul gyorsabb, mint a hatalmas erőfeszítéssel kivitelezett optikai mérés, és "kommersz" műszerekkel megvalósítható. Ez máris alkalmazási lehetőség: mágneses jeleket tudunk mérni elektromos úton.

A következő kérdés: mitől válik az áramot szállító elektronrendszerünk "spin-polarizálttá" - miért nagyobb az egyik irányba forgó elektronok száma, mint a másik irányba forgóké? Ez többféle okra vezethető vissza. Vannak olyan anyagok, ahol a mágnesezettséget a kristályban terjedő vezetési elektronoknak tulajdonítjuk. Ekkor az elektronok spinjének eleve rendeződnie kell, hiszen épp a spinhez kapcsolódó mágneses momentum az anyag mágnességének forrása. De olyan anyagok is vannak, ahol a mágneses momentumok lokalizáltak, és úgy rendeződnek. Ezek az anyagok lehetnek szigetelők és fémek is. Amikor szigetelők, akkor a helyhez kötött, lokalizált elektronok által közvetített "kicserélődési kölcsönhatás" rendezi a mágneses momentumokat. A fémes rendszerekben viszont a lokalizált mágneses momentumok közötti kölcsönhatást gyakran olyan elektronok közvetítik, amelyek áramot is tudnak szállítani, tehát nem lokalizáltak, mint a szigetelőkben. De ha az ionokon lokalizált mágneses momentumok egy irányba állnak, akkor a kölcsönhatást közvetítő vezetési elektronoknak, mivel éppen ezt az információt közvetítik, szintén megbomlik a szimmetriájuk - megjelenik a spin-polarizáció. Ilyen rendszer például az általunk is vizsgált indium-mangán-arzenid és gallium-mangán-arzenid. (Ezekben a mágneses momentumok a mangánionokon jelennek meg. A kölcsönhatást történetesen nem elektronok, hanem vezetést okozó lyukak közvetítik. Érdekesség, hogy az ionok és a vezetési lyukak közötti kölcsönhatás antiferromágneses, ezért amikor a töltéshordozó spin-polarizációját mérjük, akkor a mágnesezettséggel szemben álló spinű lyukakat detektálunk.)

Mire használhatók a spin-polarizált elektronok?

A mágneses adattárolás leghatékonyabb eszköze most a winchester, a merevlemez, amelyen mágneses úton rögzítjük az információt. A merevlemezben egy kis egység (a különböző spinű elektronok eltérő viselkedésén alapuló spinszelep) szolgál az olvasásra; ennek az igen-nem állapota az érzékelt mágneses tér szerint kapcsol. Az egység önmagában is memória. Tegyünk ilyen "olvasófejből" akár egymilliárdot egy dobozba, és ezeket kapcsolgassuk. Az új elven működő memóriát (MRAM) elkezdte fejleszteni az IBM, majd a Toshiba, és 2006-ban megjelentek a néhány megabyte-os "játékszerek". Ezekben már nem használnak mozgó alkatrészt, és részben emiatt négy nagyságrenddel gyorsabban működik a rendszer, mint egy winchester! Ez óriási változás. Egy darabig megint a számítógép vár majd ránk, nem pedig mi a számítógépre. Viszont az eljárás technikailag még nehezen megvalósítható és drága, ezért ez a memóriatípus nem terjedt el tömegesen.

Az MRAM-ban a spinszelepek igen-nem állapotát ellenállásuk mérésével lehetett kiolvasni, míg a közelükben elmenő további két vezeték áramának szórt tere kapcsolgatta őket. Miközben folyt ez a fejlesztés, megszületett egy újabb technológia: az adatok beírását meg lehet oldani úgy is, hogy ne kelljen két extra drót a spinszelep megcímzéséhez, hanem az ellenállásmérésre használt vezetékek segítségével, a spin-polarizált áram keresztülfolyatásával kapcsoljuk az információt hordozó mágneses domént. Itt már nem a szokásos, "áram által keltett" mágneses tér számít, hanem az elektronok spinje jut szerephez: az áramot szállító elektronok saját mágneses momentuma hat a doménra. A memóriaegységben az egyik mágneses domén beállítja az elektronok spinjét egy irányba, és ha elég nagy az áram, átfordítja a másik domént, bekövetkezik a kapcsolás. A jelenség a "spin-nyomaték átadás" (spin torque transfer, STT). Ettől kezdve nemcsak kiolvashatjuk (kis árammal), hogy mi van a memóriában tárolva, hanem az egy irányba állított mágneses momentumú elektronokkal (nagy árammal) írni is tudjuk ezt a memóriát. Nem kell odavezetni két külön zsinórt, és ráadásul még kisebb méretek felé lehet elmenni. A korábbi MRAM-fejlesztők 2008-ban átálltak a technológiailag egyszerűbb STT-MRAM fejlesztésére - miközben a jelenség még számos alapkutatási kérdést is felvet.

A mostani kutatásaink egy részében is éppen azon dolgozunk, hogyan befolyásolhatjuk a mágneses állapotokat spin-polarizált árammal: hogyan tudjuk felhasználni az elektronok spinjét a mágneses domének közvetlen kapcsolására. Ez nagyon új kutatási irány, amelyhez "le kellett mennünk" a nanométeres tartományba. A mikrostruktúrákban például 50 amperes árammal tudjuk átfordítani egy domén mágnesezettségét, de amikor 10 mikronszor 10 mikronról lemegyünk "10 nanószor 10 nanóra", akkor hat nagyságrenddel csökken a felület, és 50 amper helyett elég 50 mikroampert használnunk a megfelelő áramsűrűség előállításához! A nanotechnológiával hirtelen olyan jelenségek is köznapivá válnak, amelyek a mikrotechnológiában különlegességnek számítottak.

De hogyan lehet megmondani, hogy mennyire spin-polarizáltak az elektronok? Ez is megoldható egyszerű, elektromos méréssel egy újabb jelenségkör, a szupravezetés bevonásával. Nyomjunk a fémhez egy szupravezető tűt, hozzunk létre fémes nano-kontaktust, majd nézzük meg, milyen áram folyik át rajta: ez az Andrejev-spektroszkópia

A szupravezető állapotú fémekben az ellentétes spinű elektronok egy része párokba rendeződik, és spin nélküli objektumokat alkot. Ezek a Cooper-párok, amelyek ellenállás nélkül terjednek a kristályban. Amikor áramot próbálunk keresztülküldeni egy szupravezető és egy fém határfelületén, az elektronok kétlépcsős folyamatban konvertálódnak Cooper-párrá: egy elektron átkerül a szupravezetőbe, ahonnan pedig egy ellentétes spinű lyuk visszaverődik, és elnyelődik a fémes oldalon. Ez az Andrejev-reflexió nanométeres méretskálán zajlik le. A szupravezetőben létrejön a Cooper-pár, ami tartalmazza a két ellentétes spinű elektront, a fémes oldalról pedig eltűnik két elektron.

Ha a fémes anyagban csak egyféle spinbeállás van, akkor ez a folyamat nem jöhet létre, hiszen hiányzik a Cooper-pár másik spinje. Az Andrejev-reflexió mérésével így információt nyerhetünk spin-rendeződés fokáról. A kísérlet során a vezetőképességet mérjük a feszültség függvényében, és a mért görbe analíziséből tudjuk megmondani, hogy mekkora különbség van a kétféle spinállapot között a fémes oldalon.

A szupravezető tiltott sávjánál nagyobb feszültségeknél az elektronok egyesével jutnak át a határfelületen. Kis feszültségeknél a vezetőképesség (G) megduplázódik, ha az Andrejev-reflexió során az elektronok párosával formálnak Cooper-párt (mindkét spinállapot egyformán betöltött, P=0), míg nullára csökken, ha a fémes oldal spin-polarizációja 100 százalékos (P=1)

Az Andrejev-reflexióval mágneses félvezetőkön határoztuk meg először a spin-polarizációt, kimértük a hőmérsékletfüggését, megnéztük, mi történik fázisátalakulás közben, és ezekből érdekes következtetéseket vontunk le.

Ha olyan rendszert vizsgálunk, ahol az áram először egy mágneses anyagon, mondjuk, vason folyik keresztül, és utána például aranyon, amelyik nem mágneses, akkor meg tudjuk nézni, hogy a mágneses információ, amit a spin-polarizáció hordozott, milyen távon marad meg a nem mágneses anyagban. Ez a távolság a spindiffúziós hossz, amit mi "Andrejev-mikroszkópiával" tapogatunk le, a fém felülete mentén.

Annak a vizsgálata, hogy a spin-információ milyen szórási folyamatokban vész el, alapkutatás, de például az STT-MRAM spinszelep egysége éppen azon a méretskálán működik, amelyen a spin-információ még megmarad. Ezért a különböző anyagokban kialakuló spindiffúziós hossz fundamentális technológiai kérdés, hiszen a gyártásnál nagyon fontos tudni, hogy milyen anyagból készítsék a spintronikai eszközöket.

Persze, nemcsak azt vizsgálhatjuk, hogyan terjed át a spin-információ egy mágneses rendszerből egy nem mágnesesbe. Letapogathatjuk a mágneses szerkezeteket, például a doménszerkezetet is. Eljárásunkkal azt követjük, hogyan folyik át az áram a szupravezető tű és a különböző mágneses határfelületek között. Ha a kontaktus csak néhány nanométer, akkor a mágneses tulajdonságokat ezen a skálán teszteljük, azaz csak onnan kapunk információt, ahova a néhány nanométeres tűt odatesszük. Más módszerekkel mágneses méréseket ilyen kis méretskálán nagyon nehéz végrehajtani, mert a mágneses kölcsönhatás hosszú hatótávolságú. A teljes eljárást még nem dolgoztuk ki - erre a mostani OTKA-pályázatunk folyamán kerül sor. Már megvannak azok a piezoeszközök, amelyek elősegítik, hogy mind laterálisan, egy felület mentén, mind pedig függőlegesen el tudjuk végezni a kísérleteket. Vannak olyan eszközeink, amelyek nagy, és olyanok is, amelyek kis elmozdulásokra képesek, és a kettő kombinálásával megépítettük azt a berendezést, amivel "nagy" felületen - mondjuk, 10x10 mikronon - is nanométer alatti pontossággal mérhetünk.

Mindez az emberi hajszál átmérőjénél kisebb méretben játszódik le!

Igen, és az egész világon mindenki, aki ilyen kísérleteket folytat, maga állítja elő az eszközeit. Most az a célkitűzésünk, hogy elkészítsünk egy előre megtervezett mágneses szerkezetet és megmutassuk, hogy eljárásunk működik a nanométeres skálán.

Ezért van szükség tudományos iskolára...

Az iskolapályázatok valóban nagyon sokat segítettek abban, hogy a fiatalok itt maradhassanak. A hároméves doktori képzés utáni időszak mindig gondot jelent. A hallgatók általában néhány évre külföldre mennek tapasztalatot szerezni, de utána visszajönnek. Az OTKA segítségével hallgatókat tudtunk alkalmazni, megoldhattuk, hogy megélhetési okokból senki se váltson témát, és ha valamit elkezdett diplomamunkásként, azt folytathassa doktoranduszként, vagy akár a PhD-fokozat megszerzése után is.

Általában a diplomamunkásoknak körülbelül a fele maradhat itt doktori képzésre, és a doktoranduszok ötven százalékának a munkája lesz majd hasznos a csoport számára. Így térül meg az az energia, amit a képzésre fordítunk. Négy-öt év alatt a tehetséges fiatalok húzóerejévé válnak egy labornak. Hadd soroljak fel néhány nevet. A mágneses optikai kutatások motorja Kézsmárki István. Évekig Japánban volt, és a mi laborunkban az ottani tapasztalatokat is hasznosítja. Most együtt dolgozik PhD-hallgatójával, Bordács Sándorral. A nanofizikai kutatások leginkább Halbritter András nevéhez kapcsolódnak, akinek a mostani PhD-hallgatója Makk Péter. Ők molekuláris elektronikával foglalkoznak, de az Andrejev-spektoszkópia szintén erre a technikára épül. Ebben a munkában meghatározó Geresdi Attila személye, aki az egyik legtehetségesebb doktorandusz. Kézsmárki István és Halbritter András került legkorábban ebbe a társaságba, és bár fiatalok, már docensként irányítják a kutatásaikat.

Most jött haza Csonka Szabolcs, aki Marie Curie-ösztöndíjas volt Bázelben. Megtanulta, hogyan lehet nanométeres skálán litografálni. Az Andrejev-mikroszkópia alkalmazásakor - a már említett mozgatásokkal - mágneses nanoszerkezeteket vizsgálunk, és ő az, aki le tudja gyártani ezeket a szerkezeteket. Ajándékként hazahozott Bázelből egy elektronmikroszkópot, és már túl van az első sikeres itthoni litografálásokon. Szabolcs az eddig elmondott kutatások nagyon érdekes keverékén dolgozik. Félvezető szerkezetekben, gallium-arzenid típusú félvezetőkben vizsgálja a mágneses információt hordozó, tehát spin-polarizált elektronok és a szupravezető információt hordozó Cooper-párok kölcsönhatását - nanométeres skálán! Nemrég derült ki, hogy a Norvég Alap és az OTKA közös kutatói pályázatának egyik nyertese. Csontos Miklós, aki két éve szerzett PhD-fokozatot, éppen most van Marie Curie-ösztöndíjjal Zürichben. Ezek a srácok nagyon jó laborokba kerülnek - Amerikába, Svájcba, Franciaországba, Japánba. Persze, vannak akik olyan ajánlatot kapnak, hogy nem jönnek haza.

Készítettünk egy felmérést a Fizikai Tudományok Doktori Iskola hallgatóinak sorsáról. Öt évvel a pályakezdés után mindenki a szakmában maradt, tehát azt hasznosítja, amit a doktori képzés alatt tanult. Kutatóintézetben és egyetemen dolgozik több mint ötven százalékuk. A külföldi tanulmányok után körülbelül hetvenöt százalékuk visszajött Magyarországra. A hazatérők mintegy ötven százaléka ráadásul egy évnél hosszabb időt töltött posztdoktori állásban külföldön (tipikusan 2 évet). Akik most fiatal kutató fizikusként Magyarországon dolgoznak, általában komoly külföldi tapasztalattal rendelkeznek.