Zvětšit obrázek

Kredit: General Chemistry/Hill and Petrucci

Spintronika rozšiřuje možnosti elektroniky

Na poli vědy a nových technologií se zrodilo odvětví, které dech vyrážející pokrok v oblasti elektroniky bezpochyby posune ještě dál za hranici možností manipulace s elektrickým nábojem – spintronika. Pro ní je důležitý jak náboj, tak i další inherentní vlastnost elektronu - spin, jakási forma momentu hybnosti. Může nabývat pouze dvě hodnoty orientace: 1/2 (spin "vzhůru" - "up") a -1/2 (spin "dolů" - "down"). Je to kvantové číslo a v elektronovém obalu atomového jádra každou dostupnou energetickou úroveň mohou obsadit jenom dvě částice s navzájem opačně usměrněným spinem. Tím dochází ke kompenzaci jejich magnetických polí, protože elektron můžeme vnímat i jako otáčející se elektrický náboj a tedy jako zdroj magnetického dipólu (obr. vlevo). Tato představa umožňuje lépe pochopit, jak vnější magnetické pole s elektronem interaguje a jak umožňuje ním manipulovat. Spolu s dvěma základními stavy, které jsou pro spin přípustné, to tvoří perfektní podmínky pro využití v binární logice v podobě informační jednotky, tedy 1 bitu (0, nebo 1). Možnost elektrony selektovat podle orientace spinu, přenášet je a vytvářet proud částic se stejně usměrněným spinem - to jsou základní úkoly spintroniky.

Zvětšit obrázek

Princip obří magnetorezistence – modrá a žlutá vrstva představují vodivý feromagnetický materiál, bílá mezivrstva nemagnetický vodič. Když jsou vektory magnetizace obou feromagnetik navzájem opačné, soustava klade průchodu spinově usměrněných elektronů odpor. Když se vnějším polem všechny orientace zesouladí, odpor prudce klesá. Kredit: University of Wisconsin

 

Nobelovkou oceněna obří magnetorezistence (2007)

Třídění elektronů se stejnou orientací spinu se běžně využívá při takzvané obří magnetorezistenci (giant magnetoresistance - GMR). Proud nabitých elementárních částic prochází strukturou složenou z vrstev vodivého feromagnetického materiálu oddělených mezivrstvou nemagnetického vodiče. Když je vektor magnetizace feromagnetických vrstev navzájem opačný, elektrony se spinem usměrněným podle vektoru magnetizace první vrstvy tou další téměř neprochází, což způsobuje velký elektrický odpor celé struktury. Když se vlivem vnějšího magnetického pole vektor magnetizace ve všech feromagnetických vrstvách překlopí do stejného směru, odpor prudce klesne, protože takovým sendvičovým filtrem už elektrony s odpovídající spinovou polarizací lehce procházejí. Pro lepší pochopení kromě obrázku vpravo poslouží krátké animace a videa na stránce University of Wisconsin.

Zvětšit obrázek

Dětská magnetická stavebnice je pro menší dítka nebezpečná, protože je z malých součástí. Pro starší děti všech věkových kategorií může být inspirativní. V koncích spojovacích tyček jsou permanentní magnety, kuličky jsou z magneticky měkkého feromagnetika.

Feromagnetické vrstvy, kterých vnitřní magnetizaci lze lehko ovlivnit vnějším polem, jsou z magneticky měkčího materiálu. Jestli mají některé vrstvy v GMR struktuře zůstat magneticky stabilní, pak jsou z tvrdého feromagnetika. Když jste měli možnost hrát si s magnetickou stavebnicí Geomag, nebo Magnetics, asi jste si všimli, že v koncích spojovacích tyček jsou poměrně silné permanentní magnety. Jsou tedy z magneticky velmi tvrdého materiálu. Na kuličky, tvořící kloubové spoje, ale můžete připojit i několik tyček stejně magneticky polarizovanými konci, které by se jinak navzájem odpuzovaly. Kuličky jsou příkladem magneticky velmi měkkého materiálu, jehož vnitřní magnetizace se (i lokálně) lehko přizpůsobuje vnějšímu poli. Ovládatelné vrstvy v GMR struktuře musí být z feromagnetik s podobnými vlastnostmi. To v systémech založených na obří magnetorezistenci umožňuje poměrně citlivé ovládání elektrického odporu pomocí změn orientace vnějšího magnetického pole (s čímž vlastně souvisí samotný název), proto se tento princip využívá například pro zapisování dat na pevné disky počítačů. Co se ale účinnosti selekce elektronů podle směrové orientace jejich spinů týká, zatím se nepodařilo vytvořit dokonalý GMR filtr a tak je ve výstupním proudu i při stejném natočení vektorů magnetizace všech feromagnetických vrstev, a tedy za nejnižšího odporu, stále velký podíl elektronů se spinem, jenž neodpovídá požadované polarizaci. Navíc GMR třídění negativně ovlivňuje vyšší teplota.

Místo složité struktury koberec z DNA vláken?

Zajímavou a na zcela jiném principu fungující „spinovou třídičku“ elektronů popsali v nejnovějším vydání časopisu Science němečtí vědci z Fyzikálního ústavu westfálské Wilhelmsovy univesity v Münsteru (Westfälische Wilhelms-Universität) ve spolupráci s izraelskými fyziky z Weizmannova ústavu v Rehovotu.

Základem je malá destička z čistého zlata, která je elektricky vodivá, ale nemagnetická (zlato je slabě diamagnetické), s povrchem pokrytým krátkými vlákny DNA. Ty ze zlatého podkladu vyrůstají podobně jako vlasy z pokožky na hlavě. Jak takové spojení vzácného kovu a jedné z nejznámějších organických molekul vzniká a zejména, jak ovlivňuje směr spinu elektronů?

Zvětšit obrázek

Experimentální sestava. Zdroj: B. Göhler et al., Science vol. 331 2011

Vědci pokusy prováděli s dvěma typy zlatých destiček - s monokrystalickou i polykystalickou vnitřní strukturou a s různě dlouhými vlákny DNA – o délce 26, 40, 50 a 78 bázových párů nukleotidů. Odzkoušeli sice i jednovláknovou DNA, při níž nelze mluvit o nukleotidových párech, ale pro většinu experimentů použili úseky dvojšroubovice. Dostatek stejných kopií dané sekvence nukleotidů získali pomocí polymerázové řetězové reakce (PCR), běžně používané na množení genetického materiálu při analýzách DNA. "Naklonovaná" krátká vlákna ribonukleové kyseliny se na zlatý povrch uchytila sama pomocí polární molekuly uhlovodíku s obsahem síry (tiolu), kterou vědci navázali na jeden z konců každé dvojšroubovice. Díky Van der Waalsovým elektrostatickým sílám mezi tiolem a zlatem se na destičce vytvořil hustý organický trávník se spirálovitě zkroucenými „stébly“.

Zvětšit obrázek

Schéma vláken DNA uspořádaných kolmo na povrch zlaté deštičky. Zdroj: B. Göhler et al., Science vol. 331 2011

Pak přišly na řadu samotné experimenty, v nichž nejdůležitější roli hrál fotoelektrický jev, za jehož vysvětlení byl v roce 1921 oceněn Nobelovou cenou Albert Einstein. Světlo z laseru vědci upravili tak, aby získali blízké ultrafialové záření s vlnovou délku 213 nm. Energie jeho fotonů umožňuje vodivostním elektronům se vykoupit ze zajetí vnitřní struktury zlata a uniknout. Výzkumníci na ně nastražili detektory, aby mohli zkoumat, jak se různá polarizace světla projeví na prostorovém usměrnění jejich spinu. Bez koberce z DNA lineárně polarizované záření uvolňovalo ze zlatého povrchu elektrony s náhodně orientovaným spinem a ani kruhová polarizace na tom mnoho nezměnila.

Když ale elektrony procházely podél hustě uspořádanými dvojvláken DNA tvořených 78 páry nukleotidů, až 60 % z nich mělo spin se stejnou orientací, opačnou vůči směru jejich pohybu (viz obrázek vpravo). Míra tohoto usměrnění výrazně závisela od délky dvojšoubovice DNA. Zmíněných 60 % dosáhla jenom dvojvlákna o 78 bázových párech, pro 26 bázových párů bylo usměrnění asi 10%. Změna polarizace dopadajícího světla ovlivňovala tuto účinnost jen nepatrně.

Zvětšit obrázek

Podíl elektronů s usměrněným spinem, které prošly hustou strukturou vláken DNA s délkou 40, 50 a 78 bázových párů. Zelenou barvou jsou označeny výsledky pro ultrafialové záření s kruhovou polarizací ve směru hodinových ručiček, modrou pro lineárně polarizované světlo a červenou pro kruhově polarizované ve směru proti chodu hodinových ručiček. Zdroj: B. Göhler et al., Science vol. 331 2011

Princip hodný dalšího zkoumání

Uspokojivé vysvětlení tohoto jevu zatím chybí. Jednotná orientace elektronových spinů pravděpodobně souvisí se spirálovitým tvarem DNA a s podobností De Brogliovy vlnové délky elektronu se vzdáleností mezi vlákny, takže by teoreticky mohlo jít o selektivní rozptyl. Jestli je to vskutku tak a proč se to děje, je otázkou pro další výzkum. Podobné, i když výrazně méně efektivní spinové třídění elektronů se již u molekul se šroubovitou strukturou pozorovalo. DNA ale svou konkurenci překonává. Obrovskou výhodou je, že poměrně účinnou směrovou selekci spinů zajišťuje za běžné pokojové teploty.

I kdyby se deoxyribonukleová kyselina ukázala jako ne zrovna ideální pro účely spintroniky, jde o velmi zajímavý a podnětný výsledek. Pochopení toho jak to funguje možná pomůže hledat vhodnější chirální struktury pro třídění elektronů. Anebo přispěje k poznání těch nejnepatrnějších jevů v pozadí biologických procesů.

Video: fotoelektrický jev – princip a využití.

Zdroj: Science, VOL 331, 18 February 2011