Kui teil vahel väsib jaks, tassides sülearvutit, ja te mõtlete, miks see ometi peab olema nii raske, siis mõelge praeguseni kasutatavatele lauaarvutitele. Nende mäluplokki poleks käe otsas võimalik just liiga kaugele tassida.

Et arvutite mälu ehk kõvakettad on muutunud üha pisemaks ja kergemaks, selle eest peame olema tänulikud teadlastele, kellele sel aastal anti Nobeli füüsikapreemia. Ja üsna erandlikult on need kaks füüsikut eurooplased. Prantslane Albert Fert ja sakslane Peter Grünberg. Nemad avastasid teineteisest sõltumatult ühe uue füüsikalise efekti, mida üsna suurelisel moel kutsutakse gigantseks magnettakistuseks. Kui püüda asja lühidalt seletada, siis efekt seisneb selles, et teatud kavalal moel valmistatud aine elektriline takistus sõltub üsna suurel viisil ainet ümbritseva magnetvälja väga väikestest muutustest.

Nanotehnoloogia pioneerid

Nii et sellest ainest valmistatud lugejapeaga saab kõvakettalt välja lugeda väga palju enam infot kui enne – see pea on tundlik väga väikestele magnetvälja muutustele. Ja nõnda siis saabki kõvakettale salvestada palju enam infot. Seda sai ju ka enne, kuid mis kasu on kogutud infost, kui seda välja lugeda ei saa.

Praegu on üks teaduse moe-sõnu “nanotehnoloogia”. Kuid veel enne selle sõna juurdumist leiutasid selle aasta füüsikanobelistid 1970. aastate lõpul mitmest mõne aatomi paksusest üliõhukesest kihist koosneva materjali, mis ilmutas gigantse magnettakistuse omadusi. Ning kümne aasta eest valmistati sel tehnoloogial põhinev esimene infot lugev pea.

Tartu ülikooli materjaliteaduse instituudi juhataja professor Jaak Kikas juhib tähelepanu, et avastuse puhul on tegemist alaga, mida praegu nimetatakse spinntroonikaks. See tähendab, et leiutatud aine elektriline takistus sõltub elektronide spinnide suunast välise magnetvälja suhtes. Spinn on üks algosakese omadus, mis esineb vaid mikromaailmas ja mida inimesele arusaadavaks tegemiseks kujutatakse kui algosakese pöörlemist. Kui elektron pöörleb ühtpidi, on selle spinn suunatud üles, kui teistpidi, siis alla. Ja elektroni spinn tunneb ära magnetvälja ning keerab elektroni selle järgi, mis avaldub tekkivas elektrivoolus.

Selle, et ainete elektrijuhtivus sõltub magnetväljast, avastas juba 1857. aastal inglise füüsik lord Kelvin. Kuid tema tegi oma katseid tavamaterjalidel, näiteks raual. Kui aga 30 aasta eest õpiti valmistama mõne nanomeetri paksuseid ehk siis mõne aatomi paksuseid metallkilesid, ilmnes, et neil on hoopis uudsed omadused võrreldes tavamaterjalidega. Ning gigantse magnettakistuse avastamine oli esimene samm selliste omaduste uurimisel.

Tavalises metalljuhis liiguvad elektronid aines vabalt – nii, nagu näiteks meie kodudes olevates elektrijuhtmetes. Nende liikumist takistavad vaid ette sattuvad ebakorrapärasused ja metallis leiduvad lisandite aatomid.

Kuid magnetilises aines on elektronide hajumine mõjutatud ka magnetvälja suunast. Lihtsaim gigantse magnettakistusega aine on ehitatud nõnda, et mittemagnetiline metall asub kahe magnetilise metalli vahel nagu võileivas. Kui nüüd mõlema magnetilise materjalikihi magnetväljade suund on sama, siis saavad samasuunaliste spinnidega elektronid sealt suhteliselt vabalt läbi ja takistus on järelikult väike. Kui aga nende kahe kihi magneetumine on vastassuunaline, siis elektronid enam nii kergelt läbi ei pääse ja takistus on suur.

Sõbralikum arvutimälu

Albert Fert valmistas 1980. aastatel oma kolleegidega umbes kolmkümmend raua ja kroomi kiledest koosnevat kihilist pakki. Nad pidi seda tegema kõrgvaakumis. Umbes samamoodi talitas ka Peter Grünbergi uurimisrühm, püüeldes küll lihtsamate süsteemide poole. Prantslased registreerisid 50-protsendilise takistuse muutumise, sakslased vaid kümneprotsendilise. Kuid mõlemad töörühmad mõistsid, et on tõeliselt uue nähtuse jälil: sinnamaani oli täheldatud vaid protsendilist muutust.

See ei ole loodusteaduses esmakordne, et eri uurimisrüh-mad jõuavad uue paradigma lävele peaaegu et samal ajal. Midagi on õhus, paljud teadlased katsuvad seda püüda, ja pole siis ime, et mõned saavad sellele peaaegu et korraga jälile.

Ent laboris avastatu jääb vaid mõttemänguks, kui ei suudeta välja mõelda tööstuslikult rakendatavat tehnoloogiat. Sest Grünbergi ja Ferti kasutatud viis oli ikkagi töömahukas ja kulukas. Nüüd astus mängu USA-s töötav britt Stuart Parkin, kes tõestas, et gigantse magnettakistuse saavutab ka mitte just ideaalse nanokihiga. Ja tulemus oli platsis 1997. aastal, mil toodeti esimene tööstuslik gigantse magnettakistuse seade.

Kaks asja ühes

Nii et tasub meelde jätta akro-nüüm GMR ingliskeelsest sõna-ühendist giant magnetic resistance. Seda ei kasutata mitte ainult info lugemiseks. Tulemas on ka võimalus, kuidas selle põhjal teha magnetiliselt töötavaid mälusid, mida nimetatakse MRAM-iks. Siiani salvestatakse ja säilitatakse infot arvutites süs-teemis, mida kutsutakse RAM-iks, ehk siis arvuti kogub kogu info, mida ta vajab, oma töö ajal. Kuid see ei suuda nõnda toimida pidevalt ja kohe. Nagu igaüks on oma õuduseks kogenud, võib vahel, kui näiteks vool katkeb, kogu tekst või vähemalt osa sellest kaduda kui tina tuhka. Vaid nuppu “save” vajutades olete kindlad, et ehk saate ikka midagi pärast kätte ka.

Kuid MRAM-i süsteemi eesmärk on kasutada magnettakistuse omadusi, et nii lugeda kui ka salvestada infot. Nõnda et MRAM võib olla nii töömälu kui ka pidevmälu, mis ei sõltu elektrist. Ja asendab nii RAM-i kui ka kõvaketta.