Nanoteknologi og stadig mindre datamaskiner

Tenk et øyeblikk på bærbare PC-er, digitale lommekameraer, mobiltelefoner eller iPod-er med musikk som varer i mange timer. Alt dette er en del av hverdagen vår i dag, men de hadde ikke vært det hvis ikke noen forskere på 1980-tallet hadde studert hvordan bitte små magneter oppfører seg.

Bygge med atomer

Dette er et eksempel på det som kalles nanoteknologi. Mange kjenner kanskje nanoteknologi i form av ski som glir bedre, solbriller som ikke dugger eller klær som ikke blir skitne. Det finnes også mer omdiskuterte anvendelser som kjøleskap med antibakterielle belegg laget av nanosølv. Felles for alle disse er at de er blitt til gjennom bearbeiding av materialer på nanoskala, det vil si at forskere jobber med størrelser som er mindre enn 100 nanometer i minst én retning.

Men nanoteknologi handler om mer enn størrelse. Det handler mye om kontrollert behandling av enkeltatomer eller strukturer i nanoskala, på en måte som får fram nye egenskaper, –litt som å bygge med lego og sette sammen klossene på nye måter.

Mer enn kjemi

Nanoteknologi har flytende overganger mot kjente fag som fysikk, kjemi og molekylærbiologi. Kjemikere er vant til å jobbe med byggesteiner på nanometerskala, som molekyler, og bygge dem sammen til andre molekyler. Likevel er nanoteknologi noe annet enn tradisjonell kjemi.

Mange vil si at vi snakker om nanoteknologi når vi har å gjøre med nye fysiske eller kjemiske egenskaper som dukker opp på grunn av størrelsen. Et eksempel er nanopartikler, som er partikler på nanoskala. Når et stoff foreligger som nanopartikler i stedet for som et makroskopisk materiale, blir effekter av  kvantemekanikken viktigere. Overflaten blir veldig stor i forhold til volumet, og alle overflateegenskapene blir forsterket. Slik blir nanopartikler av sølv sterkt antibakterielle.

Med andre ord: Når enkeltatomer eller grupper av atomer på nanoskala settes sammen på en kontrollert måte slik at det oppstår kvalitativt nye egenskaper og  fenomener, er dette noe mer enn en kjemisk reaksjon, og da snakker vi om  nanoteknologi.

I denne strukturen er magnetfeltet i de magnetiske lagene rettet motsatt vei. Når sandwichen kommer i nærheten av et ytre magnetfelt, skifter feltet i det ene laget retning slik at feltene blir parallelle.

Magnetisk nanosandwich

De magnetiske egenskapene til et materiale er et eksempel på noe som endrer seg kvalitativt når vi beveger oss ned på nanoskala. Dette kan brukes i  magnetisk datalagring.

Alle kjenner til magneter, som består av grunnstoffer som for eksempel jern eller kobolt, og som har en nordpol og en sørpol. Vi kan tenke på hvert eneste atom i jernblokken som en slik magnet. Når atomene kommer i nærheten av hverandre, slik de gjør i et fast stoff, påvirker de hverandre, og til sammen utgjør de de magnetiske egenskapene til det faste stoffet. Elektronenes kvantemekaniske spinn (forenklet sagt rotasjon omkring sin egen akse) spiller en viktig rolle her.

La oss nå tenke oss at det dukker opp en forandring, og atomene får andre naboer enn de pleier å ha. Det kan skje på grenseflaten mellom to forskjellige stoffer, eller når atomene ligger på en overflate der det plutselig ikke er noen naboer. Da endres også de magnetiske egenskapene. Vi må bevege oss inn i kvantemekanikken for å forstå hvordan dette skjer, og det skal vi ikke gjøre
her. Poenget er at magnetisme henger tett sammen med hvordan atomene er plassert i forhold til hverandre.

En annen måte å forandre atomenes plassering og påvirke de magnetiske egenskapene på, er å legge veldig tynne lag av forskjellige materialer oppå hverandre. Vi får da en slags nanosandwich.

Magnetiske lesehoder basert på nanoteknologi ble anvendt i kommersielle lesehoder fra 1997. © Shutterstock

Nobelpris-oppdagelse

Det var nettopp slike nanosandwicher forskere studerte på 1980-tallet, lenge før begrepet nanoteknologi hadde kommet på moten. De så på systemer med tynne lag oppå hverandre, der noen var magnetiske, for eksempel av grunnstoffet kobolt, og noen ikke, for eksempel av grunnstoffet kobber.

Det viste seg at to magnetiske lag kan påvirke hverandre på tvers av det ikke-magnetiske laget. Magnetene i de to magnetiske lagene peker enten i samme retning eller i motsatt retning, avhengig av tykkelsen på det ikke-magnetiske laget som ligger i mellom dem.

I 1988 gjorde tyskeren Peter Grünberg og franskmannen Albert Fert samme oppdagelse uavhengig av hverandre. De fant ut at hvis de sender strøm gjennom slike nanosandwicher, så vil det flyte mye strøm hvis magnetene peker i samme retning, og nesten ingen strøm hvis de peker i motsatt retning. Effekten ble kalt
Giant magnetoresistance, forkortet GMR, og Grünberg og Fert fikk tildelt Nobelprisen i fysikk i 2007 for oppdagelsen sin.

Leser nuller og enere

Hvorfor er dette interessant for datamaskiner? Jo, fordi denne mekanismen noen år senere ble tatt i bruk i magnetiske lesehoder som leser data fra en disk.

All digital informasjon foreligger som såkalte bits som enten har verdien null eller en (totallsystem). En gjennomsnittlig roman på én megabyte inneholder åtte millioner slike bits. Nullene og ettallene er egentlig bare små magnetiske områder der nordpolen peker enten til høyre eller til venstre på disken. Hvor små kan disse magnetiske områdene bli før lesehodene ikke klarer å lese og skille dem fra hverandre?

I 1997 kom de første kommersielle lesehodene med nanosandwicher. Magnetene i sandwichen er rettet motsatt vei, og hver gang lesehodet beveger seg over et ettall, skifter den ene magneten retning. Da flyter det strøm. Når det derimot møter en null, forblir sandwichen uforandret, og det går ingen strøm. Strømmen
vi måler gir med andre ord svar på om den aktuelle bit’en er en null eller et ettall.

Første anvendelse av nanoteknologi

Det var engelskmannen Stuart S. Parktin ved IBM i California som fant egnede systemer og lagde de første magnetiske lese- og skrivehodene basert på denne mekanismen. De nye lesehodene var mye mer følsomme enn noe som hadde eksistert tidligere, og informasjonen kunne pakkes tettere på disken. I løpet av fem år økte lagringstettheten med en faktor tusen. Det betyr tusen ganger så mye informasjon på samme plass, eller like mye informasjon på en tusendel av plassen.

I forbindelse med Nobelprisen i 2007 skrev den Kungliga Svenska Vetenskapsakademien at GMR er den første store anvendelsen av nanoteknologi. På mindre enn femten år hadde forskningsresultatene funnet veien inn i datamaskinen til folk flest. I omtrent ti år lå denne mekanismen i bunnen for alle magnetiske disker, før den ble erstattet av en videreutvikling der det ikke-magnetiske laget består av et elektrisk isolerende materiale. De nye systemene gjorde det mulig å pakke dataene enda tettere.

På vei mot nytt paradigme

Oppdagelsen av GMR har ført til en ny type elektronikk, kalt spintronikk, der elektronenes spinn og ikke bare deres elektriske ladning spiller en rolle. Spintronikk forutsetter at vi har å gjøre med små dimensjoner som defineres av nanoteknologi. Et aktuelt anvendelsesområde av spintronikk er M-RAM, som står for Magnetic Random Access Memory.

Parkins forskningsgruppe ved IBM jobber i dag med utviklingen av et nytt konsept for å lagre data, som er ment å erstatte dagens mange datalagringssystemer ved å kombinere de beste egenskapene fra dem alle: billig, raskt og pålitelig. I stedet for å lage todimensjonale strukturer som gjøres stadig mindre, pakkes dataene her inn i en tredimensjonal mikrochip. Denne består av
en “skog” av vertikale, nanometer tynne “tråder” på en overflate, der magnetiske bits beveger seg fram og tilbake langs tråden. Slik skal det bli mulig å lagre mye mer informasjon.

Ved å spille på elektronenes spinn på nye måter, håper IBM-forskerne å lage strukturer med helt ny funksjonalitet, som kanskje kan ligge til grunn for et nytt paradigme innenfor datautviklingen.