szukaj
Spintronika. Obiecująca dziedzina fizyki
O obrotach elektronów
Rozmowa z prof. Tomaszem Dietlem, fizykiem, wybitnym specjalistą z dziedziny spintroniki, o sile drzemiącej w elektronie, wyczerpywaniu się technologii krzemowej, nanotechnologii i przejściu do informatyki kwantowej.
Cburnett/Wikipedia

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 rozwój tradycyjnej elektroniki może trwać w nieskończoność? Jak się sprawie dokładniej przyjrzymy, okaże się, że pojemność dysków rośnie dziś szybciej niż możliwości mikroprocesorów.

Więcej da się zapamiętać niż przetworzyć?

Tak. I to nas prowadzi do prawa Moora, które powiada, że możliwości pamięci półprzewodnikowych podwajają się co dwa lata. Pytanie, jak długo prawo Moora będzie obowiązywało? W pamięciach magnetycznych te możliwości podwajają się szybciej. Ale to wciąż nie przesądza, czy da się zbudować przetwarzające informacje mikroprocesory, które wykorzystywałyby własności spinowe.

Co nam może dać użycie spinu poza możliwością przesyłania informacji i wzrostem szybkości tego przesyłu?

Radykalne zmniejszenie zużycia energii. Komputery dzisiaj zużywają już 10 proc. całej produkowanej energii, więc sprawa jest istotna, tym bardziej że bardzo niewielki jest postęp w dziedzinie baterii, które są ciężkie i niewygodne. Na dodatek procesory bardzo mocno grzeją się w czasie pracy, im szybsze, tym mocniej. Chłodzenie mikroprocesorów to jest wielki problem. Jeśli myślimy o jeszcze szybszych komputerach, musimy ograniczyć wydzielanie się energii.

Czego dotyczą obecnie główne poszukiwania w spintronice?

Próbujemy np. budować urządzenia do wytwarzania prądów spinowych oraz manipulowania namagnesowaniem. Wszyscy znamy głowice magnetofonowe, magnetowidowe, komputerowe...

Które bez przerwy się psują.

Właśnie. Głowica w komputerze porusza się tuż nad płytą w twardym dysku. To taki jumbo jet lecący centymetr nad ziemią. Najdrobniejsze odkształcenie czy pyłek może spowodować awarię. Chcemy więc zrezygnować z tych części mechanicznych i nauczyć się zmieniania kierunku namagnesowania nie polem magnetycznym (czyli za pomocą jeżdżącej nad płytą głowicy-magnesu, jak to jest w tej chwili), tylko za pomocą prądu elektrycznego.

I to wyeliminuje głowicę?

To wyeliminuje całą mechanikę, bo proces zapisu informacji będzie się odbywał bez przesuwu głowicy. I nie będziemy musieli czekać tak długo jak obecnie, aż komputer zacznie działać. Ocenia się, że w wyniku tych zmian szybkość dostępu do informacji wzrosłaby ok. milion razy. 

Krzem nie daje rady

Jeśli możliwości pamięci i możliwości przetwarzania informacji kompletnie się rozejdą, informatyka się zatka. Wiadomo, kiedy ten moment nastąpi?

Wielkim sukcesem inżynierów jest to, że ten moment udaje się wciąż odsuwać w czasie. Dziesięć lat temu wydawało się, że to będzie dzisiaj, a dzisiaj wiadomo, że to jeszcze potrwa.

Z czego to wynika?

Kluczem do sukcesu jest użycie nowych materiałów. Technologia krzemowa jest coraz mniej krzemowa. W jednym mikroprocesorze umieszcza się dziś ok. 30 różnych materiałów. Zajmują się tym tysiące inżynierów, którzy bardzo skutecznie utrzymują przy życiu obecną technologię.

Ale to tylko praca nad oddaleniem nieuchronnej katastrofy?

Dokładnie. Nie wiadomo, jak długo to się będzie udawać.

Dalsza miniaturyzacja procesorów jest jakimś rozwiązaniem?

Wciąż miniaturyzujemy. Jeśli chodzi o rozmiar tranzystora i komórki pamięci na twardym dysku, to obecnie jest on mniejszy niż 100 nanometrów (nanometr to jednomilionowa część mm – przyp. red.). Te 100 nanometrów to mniej więcej tysiąc razy mniej niż średnica włosa ludzkiego. Przyjmuje się, że ta wartość to początek nanotechnologii. Używane obecnie komputery, pamięci dyskowe, są już urządzeniami nanotechnologicznymi. Postęp miniaturyzacyjny trwa, ale trzeba sobie uświadomić, że musi się on zakończyć, gdy rozmiar tranzystorów osiągnie wielkość atomu. Bo te tranzystory zaczną wtedy działać w inny sposób.

Ciekawe dlaczego?

Ponieważ zasady, według których zostały zbudowane, dotyczą zbioru atomów i działają tylko w ramach takich zbiorów. Własności zbioru atomów nie są własnościami pojedynczego atomu. Okazuje się, że gdy mamy wiele cząstek, wtedy ich własności możemy opisywać, wykorzystując prawa mechaniki klasycznej. Gdy w grę wejdą pojedyncze atomy, musimy zastosować język mechaniki kwantowej.

Tranzystor zbudowany z atomów przestanie działać?

Owszem, dlatego myślimy intensywnie o procesorach, które działałyby według praw mechaniki kwantowej. I to nas prowadzi do pojęcia informatyki kwantowej. Jest próba zmiany architektury komputerowej wymyślonej jeszcze przed II wojną światową przez Turinga i w czasie wojny przez Johna von Neumanna. Myślimy o nowej architekturze.

Byłaby to rewolucja technologiczna.

Tak. Dziś zastanawiamy się, jak zmienić poszczególne cegiełki w konstrukcji, a nie samą konstrukcję. Tymczasem przejście do informatyki kwantowej wiązałoby się z kompletną zmianą zasad działania komputera.


Zakłócona manipulacja

Które ze wspomnianych przez pana innowacji da się już zastosować, a które są dopiero melodią przyszłości?

Nad wyeliminowaniem głowic już pracują konkurujące ze sobą konsorcja światowych firm. To one będą nowe rozwiązania wdrażać. Z tym że wciąż nie ma pewności, czy te rozwiązania będą miały wartość komercyjną. Prognozowanie jest tutaj bardzo trudne.

A co z nowym komputerem? Czy w tej sprawie jest coś, czego spintronika nie może na razie przeskoczyć?

Jak mówiliśmy, nowa architektura komputerów wykorzystuje prawa mechaniki kwantowej. Z drugiej strony tych praw nie musimy wykorzystywać w makroświecie, bo tu wystarczy nam mechanika klasyczna. Powstaje pytanie, kiedy i w jakich warunkach mechanika kwantowa przechodzi w klasyczną? Spin elektronu oddziałuje z otoczeniem, bo umieszczony jest w jakimś materiale, musi istnieć także możliwość doprowadzania do niego sygnałów wpływających na jego położenie. Żeby spin wykorzystać, musimy umieć nim sterować, ale sterowanie wymaga, aby on był w kontakcie z urządzeniami sterującymi. Niestety, okazuje się, że kontakt ze światem zewnętrznym, obciążony przypadkowymi drganiami atomów, powoduje zakłócenie praw mechaniki kwantowej.

Mechanika kwantowa nie działa, bo pojawiają się zakłócenia ze świata mechaniki klasycznej?

I w pewnym sensie świat klasyczny zaczyna zwyciężać. Pojawia się pytanie: jak manipulować pojedynczym spinem i uniknąć przy tym wpływu świata zewnętrznego na ten spin.

Może się po prostu nie da?

Wielu poważnych naukowców uważało, że ze względu na zjawiska, o których mówię, nigdy nie zbuduje się komputera kwantowego. Ale w tej chwili pokazano, że jednak istnieje skuteczna metoda poprawiania błędów kreowanych przez świat zewnętrzny. W związku z tym uważa się, że mechanika kwantowa będzie mogła być jednak wykorzystana.

A więc sukces?

W projektowaniu przyszłości musimy być bardzo ostrożni. Pracujemy metodą prób i błędów, rozważamy wiele możliwych sytuacji, ale nie jest powiedziane, że wszystkie będą wykorzystane. Mamy świadomość, że wiele naszych pomysłów nigdy nie znajdzie zastosowania, także z powodów pozamerytorycznych. Z całą pokorą muszę przyznać, że na razie nie jesteśmy w stanie przewidzieć, jaka będzie technologia przyszłości, na których rozwiązaniach się oprze. Nie wiemy, jaka technologia zwycięży, co sprawia, że z naukowego punktu widzenia spintronika jest dziedziną tak pasjonującą.

Jakie inne technologie mamy do wyboru?

Choćby elektronikę molekularną, w której wykorzystuje się pojedyncze cząstki organiczne, np. plastiki mające doskonałe właściwości mechaniczne. W materii organicznej ukryte są wielkie możliwości, które być może będzie można inteligentnie wykorzystać.  

Alchemia przyszłości

Jakie nowe materiały odegrają rolę w spintronicznej rewolucji?

Grupą materiałów, z którymi wiążemy duże nadzieje, są półprzewodniki ferromagnetyczne. Mają one jednocześnie własności wykorzystywane w mikroprocesorach do przetwarzania informacji i własności, które wykorzystujemy do zapisu informacji na taśmach magnetofonowych i twardych dyskach. To jest fascynujące. Potrafimy sterować namagnesowaniem tych półprzewodników za pomocą pola elektrycznego, prądu, światła. Problem jest taki, że półprzewodniki ferromagnetyczne, którymi dysponujemy w tej chwili, pracują tylko w niskich temperaturach.

Sześć lat temu opublikował pan słynną już dzisiaj w świecie pracę, w której zaproponował pan model teoretyczny półprzewodników ferromagnetycznych działających w temperaturze pokojowej.

I zapoczątkowała ona poszukiwania takiego półprzewodnika ferromagnetycznego. W tej chwili w ok. 200 laboratoriach na świecie szuka się tego materiału.

Co to za cudo, ten wymyślony przez pana półprzewodnik?

Nasze badania dotyczyły dwóch bardzo ciekawych materiałów: azotku galu i tlenku cynku. Powiedzieliśmy, że jeśli dodać do nich pierwiastki magnetyczne takie jak mangan, wtedy te materiały miałyby bardzo ciekawe i pożądane przez spintronikę własności optyczne, elektroniczne i ferromagnetyczne.

To coś w rodzaju nowoczesnej alchemii, bo w jej wyniku ma powstać współczesne złoto?

Z tym że wiele z tych materiałów jest znacznie droższych od złota.

Pana teorię trzeba było sprawdzić w praktyce.

Tym również się zajmowaliśmy i nadal się zajmujemy. Pracujemy w dwóch kierunkach. Z jednej strony chcemy otrzymać półprzewodniki ferromagnetyczne pracujące w temperaturze pokojowej, z drugiej strony badamy własności tych półprzewodników, które pracują w niskich temperaturach, żeby nauczyć się tymi własnościami sterować.

Czy uzyskanie wymyślonego przez pana półprzewodnika jest w ogóle realne?

Są trudności technologiczne. Okazało się, że domieszki magnetyczne, które należałoby wprowadzić do azotku galu czy tlenku cynku, nie chcą się w tym materiale rozkładać jednorodnie, tylko się grupują w pewnych miejscach.

Nie chcą się wymieszać, podobnie jak olej z wodą? Chodzi o to, żeby zmusić materię do posłuszeństwa i wymieszać ją, mimo że ona nie chce?

Używając pańskiego porównania, trzeba zmusić ten olej, żeby dał się rozprowadzić po wodzie. To znaczy znaleźć warunki, w których to będzie się mogło dokonać.

Kiedy to się uda, padnie ostatnia bariera na drodze do komputera kwantowego?

Postęp może być zahamowany nie tylko przez bariery czysto techniczne, lecz także prawne czy psychologiczne. Możemy nie mieć np. ochoty co chwilę uczyć się nowych programów czy kupować nowych komputerów. Jest też bariera finansowa, bo fabryka mikroprocesorów nowej generacji kosztuje kilka miliardów dolarów. Ten koszt zresztą stale rośnie i niedługo żadna firma może nie być w stanie zdobyć potrzebnego kapitału, nawet wiedząc, że on się zwróci.

Na szczęście jakieś siły napędowe rozwoju spintroniki też są.

Trzeba powiedzieć, że potężną siłą napędową jest przemysł rozrywkowy. To ciekawy moment historyczny, do którego doszła ludzkość, że przemysł rozrywkowy wymusza postęp technologiczny. W grach komputerowych instaluje się najlepsze procesory, a filmowe efekty specjalne wymagają sprzętu o bardzo wyśrubowanych parametrach.

Bez tego rozwoju Hollywood stanąłby w miejscu?

Tak. Na razie wysoka technologia służy kreowaniu wirtualnego otoczenia, w którym aktorzy występują, ale powoli dochodzimy do momentu, w którym sami aktorzy też będą wirtualni. To wymaga ogromnych mocy obliczeniowych mikroprocesorów graficznych, ogromnej szybkości i ogromnej pojemności.

Jak pokroić ten tort

Jest pan wybitnym specjalistą w modnej dziedzinie fizyki, która za chwilę może generować wielkie pieniądze. Co pan jeszcze robi w Polsce? Nie próbowano pana z tej Polski wyciągnąć?

Propozycje oczywiście mam, ale problem trzeba widzieć szerzej. Należy zastanowić się, jaka jest w ogóle rola Polski w dziedzinie wysokiej technologii. I uświadomić sobie, że na świecie istnieje ogromny rynek badań naukowych, wart może 100 mld dol. rocznie. To jest tort do podziału dla wszystkich, bo żadne pojedyncze państwo, nawet USA czy Japonia, nie jest w stanie badać wszystkiego, czyli zjeść całego tortu.

Pytanie brzmi: ile my będziemy w stanie sobie ukroić?

Mam nadzieję, że sporo. Mamy na nasze badania duże pieniądze japońskie, duże pieniądze Unii Europejskiej.

Czyli oni wiedząc, że wszystkiego sami nie są w stanie zrobić, przekazują pieniądze i robotę tam, gdzie są naukowcy, którzy potrafią tę robotę wykonać. Polscy fizycy są liczącą się siłą, ale zastanawiam się, czy nie będzie tak, że zrobimy swoje w sensie naukowym, ale owoce tego skonsumują zachodnie korporacje?

To jest wielki problem nie tylko polski, ale europejski. Ale trzeba wierzyć w gry o wyniku dodatnim, to znaczy, że istnieją sytuacje, w których wszyscy zarabiają. Nie zawsze trzeba zakładać, że jeśli ktoś wygrał, ktoś inny musiał stracić. Laboratoria Intela powstają przecież na całym świecie.

Ale problem jest. Europa zastanawia się, czy nie jest tak, że finansowanie nauki na naszym kontynencie wspomaga przemysł amerykański i japoński. Myślę, że to trochę efekt europejskiej, w tym także polskiej, niewiary we własne siły. Musimy nabrać przekonania, że Europa, Polska mogą konkurować. Że globalizacja i postęp musi przynieść korzyści każdemu, bo na szczęście nie jest tak, że jak korporacja wielonarodowa zyskuje, to my tracimy.

Łatwo powiedzieć.

Problemy rodzą się na styku tego, co publiczne, z tym, co prywatne. Niestety, bywa, że gdy naukowiec stara się o państwowe pieniądze pisząc, że bada ważne zjawisko, które pomoże jakiejś prywatnej polskiej firmie, od razu rodzą się zastrzeżenia, że dochodzi do mieszania się kapitału państwowego i prywatnego. To zresztą problem ogólnoświatowy: w jaki sposób pieniądze podatnika, konieczne do prowadzenia badań, połączyć z interesami przemysłu?

Niektórym trudno pogodzić się z tym, że prywatny biznes osiąga sukces za pieniądze podatnika.

Ale trzeba sobie powiedzieć, że to dobrze, że on osiągnie zyski, bo dzięki temu zatrudnia ludzi, sprzedaje swoje produkty za granicę itd. Czyli te pieniądze nie zostaną zmarnowane, ale dobrze zainwestowane. I powinniśmy się na to godzić. Przecież z postępu korzystamy wszyscy.

Czytaj także

Ważne tematy społeczne

W nowej POLITYCE

Zobacz pełny spis treści »

Poleć stronę

Zamknij
Facebook Twitter Google+ Wykop Poleć Skomentuj