Fizikai Nobel-díj 2007

A francia Albert Fert és a német Peter Grünberg kapta megosztva az idei fizikai Nobel-díjat - jelentette be kedden, hazai idő szerint 11:45-kor Stockholmban a Karolinska Intézet illetékes bizottsága. A kutatók egy fizikai jelenség, az úgynevezett óriás mágneses ellenállás egymástól független felfedezéséért részesültek a legnagyobb tudományos elismerésben. A felfedezés legfontosabb gyakorlati alkalmazása a merevlemezek adatait olvasó fejek kifejlesztése.

A jelenséget a két díjazott által vezetett két kutatócsoport egymástól függetlenül, egyidőben és véletlenül fedezte fel 1988-ban. Azóta kutatók ezrei dolgoznak a jelenség még finomabb részleteinek a feltárásán, a gyakorlati alkalmazások fejlesztésén. A most elismert felfedezés alapján sűrűbben tárolható az információ a merevlemezeken, így egy sor eszközt jelentősen miniatűrizálni lehetett.

Óriás mágneses ellenállás

A merevlemezen mágnesesen tárolják az információt. A lemezre írt információt a lemez felett mozgó fej olvassa ki. Minél kisebb területre koncentrálják egyetlen bit tárolását, annál gyengébb lesz ott a mágneses jel, annál nehezebb kiolvasni. Ebben hozott nagy változást az új felfedezés, az óriás magnetorezisztencia (óriás mágneses ellenállás).

William Thomson 1856-ban fedezte fel, hogy egy vezető elektromos ellenállása megváltozik, ha mágneses térbe helyezik. A ferromágneses anyagoknál (vas, kobalt, nikkel) még a mágneses tér iránya is számít. Ez a magnetorezisztencia, a mágneses térrel szembeni ellenállás. A hatás nem túl nagy, mindössze néhány százalék.

A két kutatócsoport olyan megoldást fedezett fel, amelynél óriási a magnetorezisztencia, vagyis a mágneses tér kis változása óriási elektromos ellenállásváltozást idéz elő. A nagy elektromos ellenállásból nagy elektromos jelet lehet nyerni, tehát gyenge mágneses tér mellett ki lehet olvasni a sűrűn írt információt.

A különleges jelenség természetesen csak különleges körülmények között jelentkezik. Vékony, mindössze néhány atom vastag fémrétegeket építenek egymásra, felváltva ferromágneses és nem mágneses réteget. Grünberg csoportja vas-króm-vas réteggel dolgozott, Fert csoportja sok, esetenként 60 vas-króm rétegpárt helyezett egymásra. A jelenséget az elektron két alapvető jellemzőjének, töltésének és spinjének egyidejű megváltoztatása okozza. A felfedezés megszületését a nanotechnológia korábbi eredményei tették lehetővé.

A magnetoelektronika megszületése

Különösen erős volt a jelenség alacsony hőmérsékleten: Fert az abszolút nulla fok közelében, 4,2 kelvinen csaknem 50%-os elektromos ellenállás-változást tapasztalt. Az effektus erőssége magasabb hőmérsékleten kisebb. A rétegek száma is befolyásoló tényező, sokréteges szendvicsnél nagyobb a hatás, mint néhány réteg esetében.

Albert Fert (balra) és Peter Grünberg

A jelenségben az elektron két alapvető jellemzője, a töltés és a spin játssza a főszerepet, a pontos leíráshoz cikkünk keretei között nem részletezhető kvantumfizikai ismeretekre lenne szükség. A két ferromágneses réteg közé helyezett paramágneses rétegből álló szendvicsben a középső rétegben mozognak, szóródnak az elektronok. Ha a két ferromágneses rétegben azonos a mágneses tér iránya, akkor mozgásuk könnyebb, mert az elektromos ellenállás kisebb, mint a fordított esetben. A mágneses tér iránya tehát befolyással van az ellenállásra, a mágneses tér irányváltása elektromos ellenállás-változáshoz vezet. Ez a változás jóval nagyobb, mint a normál ferromágneses anyagokban fellépő változás, ezért kapta az óriási nevet. Olyan megoldást is kidolgoztak, amelyben a két fémréteg közé nem egy másféle fém, hanem szigetelőréteg kerül. A szigetelőréteg csak néhány atom vastag, ezen kvantummechanikai alagúteffektussal mennek át az elektronok. Vas-amorf germánium-réz szendviccsel alacsony hőmérsékleten 14% ellenállás-változást értek el.

Grünberg azonnal felismerte a felfedezés gyakorlati jelentőségét, és szabadalmaztatta a megoldást. A vékony ún. filmrétegek mágneses tulajdonságainak kutatásából megszületett a magnetoelektronika.

A felfedezés megszületését a nanotechnológia korábbi eredményei, a vékony rétegek létrehozására, manipulálására szolgáló technikák kidolgozása tette lehetővé. Az ún. molekuláris nyaláb epitaxia-technikával atomi rétegeket igen nagy pontossággal lehet egymásra építeni. A kísérletekben használt vas és króm kristályszerkezete azonos, ezért viszonylag könnyű volt a rétegeket egymásra építeni.

Az óriás után később még erősebb magnetorezisztanciát fedeztek fel, ez lett a kolosszális magnetorezisztencia, amit pl. a perovszkit nevű ásvány mutat. Ez viszont csak erősebb mágneses terek mellett működik, hiába kolosszális tehát az elektromos ellenállás változása, az erős mágneses tér szükségessége miatt egyelőre nem látszanak gyakorlati alkalmazási lehetőségek.

* * *

A Nobel-díjazottak nevének kihirdetése hagyományosan az orvosi-élettani Nobel-díj bejelentésével kezdődött tegnap. Az orvosi díjat idén két amerikai és egy brit kutató, Mario Capecchi és Oliver Smithies, illetve Martin Evans kapta. A kutatók az egér genetikai állományának embrionális őssejteken végzett módosításával olyan állatmodelleket hoztak létre, amelyek segítségével számos emberi életfolyamat és betegség vált hatékonyabban tanulmányozhatóvá. Részletesen lásd tegnapi összeállításunkat.

Szerdán a kémiai, csütörtökön az irodalmi Nobel-díj, pénteken pedig a Nobel-békedíj idei kitüntetettjeinek nevét jelentik be. A Svéd Központi Bank által 1968-ban alapított közgazdasági Nobel-díj idei tulajdonosát jövő hétfőn hirdetik ki.

A Nobel-díjakat idén is XVI. Károly Gusztáv svéd király adja át december 10-én - illetve ugyanezen a napon a Nobel-békedíjat a Nobel-díj Bizottság elnöke Oslóban - a kitüntetést alapító Alfred Nobel mérnök és üzletember 1896-ban bekövetkezett halálának évfordulóján. Az igazoló okmányon és az aranyérmén kívül a díjak mellé 10 millió svéd korona jár.

Kozmikus háttérsugárzás - fizikai Nobel-díj 2006

A 2006-os fizikai Nobel-díjat John. C. Mather és George F. Smoot amerikai fizikusoknak ítélte oda a Svéd Királyi Tudományos Akadémia "a Világegyetem mikrohullámú háttérsugárzása feketetest-jellegének és anizotrópiájának felfedezésért".

A Világegyetem történetének leírására két modell versengett a múlt század közepén. Az egyik szerint Világegyetemünk egy Ősrobbanással (Big Bang) kezdődött és azóta tágul, a másik szerint pedig állandó állapotban létezik. Már az 1940-es évek végén jelezték elméleti fizikusok, hogy az Ősrobbanás utáni időszakban keletkezett sugárzás maradványa ma mikrohullámú sugárzás formájában jelen lehet a Világegyetemben. A. Penzias és Robert Wilson 1964-ben fel is fedezték ezt a sugárzást, és a meghatározó fontosságú eredményért 1978-ban kapták meg a fizikai Nobel-díjat. Ez egyértelmű bizonyíték volt az Ősrobbanással kezdődő elmélet helyességére.

Az első megfigyelés természetesen csak a sugárzás meglétét igazolta, a részletek, többek között a spektruma alakja, a különböző hullámhosszak eloszlása még tisztázásra várt. Földi, magas hegyeken és a légkörben végzett mérésekkel nem sikerült tisztázni a spektrum alakját - a megoldást műholdakkal végzett mérések szolgáltatták.

1974-ben a NASA pályázatot hirdetett a világűrben végzendő kísérletekre. Ekkor nyújtották be a COBE műhold tervét (a név a kozmikus háttér vizsgálatára utal - COsmic Background Explorer). Az idővel hatalmasra nőtt tudományos program motorja, vezető alakja a most díjazott John Mather volt. Ő felelt azért a fedélzeti műszerért is, amely a sugárzás feketest-jellegét vizsgálta. A másik díjazott, George Smoot a másik meghatározó jelentőségű készülékért, a háttérsugárzás irányeloszlását mérő berendezésért volt felelős. A programban ezernél több kutató, mérnök és más szakember vett részt. A COBE műholdat eredetileg egy űrrepülőgéppel tervezték pályára állítani, de a Challenger 1986-os tragédiája miatt végül hordozórakétával juttatták az űrbe 1989. november 18-án, 15 évvel a javaslat kidolgozása után.

Az első döntő eredmény alig 9 perces adatgyűjtés urtán megszületett: az Univerzum hátttérsugárzása ún. feketetest-sugárzás. 1990 januárjában egy tudományos konferencián felállva, dörgő tapssal fogadták a szakértők a friss hírt, most pedig ez volt az egyik indoka a Nobel-díj odaítélésének. Feketest-sugárzás jellegű sugárzás esetében a test által kibocsátott elektromágneses sugárzás színképének alakja csak a sugárzást kibocsátó test hőmérsékletétől függ. (A feketetest-sugárzás értelmezésére dolgozta ki Max Panck 1900-ban a kvantumhipotézist, így született meg a kvantumfizika.) A megfigyelt sugázás tökéletesen feketetest jellegű volt, 2,7 kelvin hőmérsékletnek felelt meg. A sugárzás eredetileg - mintegy 300 ezer évvel az Ősrobbanás után - egy kb. 3000 Celsius-fokos Világegyetemben született meg, azóta hűlt le a 2,7 kelvines értékre.

A George Smoot által irányított kísérletben arra kerestek választ, hogy egyenletes-e mikrohullámú háttérsugárzás eloszlása, vagy vannak irányfüggő kis eltérések. A kutatók eltérésekre számítottak, ellenkező esetben nem tudták volna magyarázni a galaxishalmazok, galaxisok létezését. Az Ősrobbanás után közvetlenül jellemző egyenletes anyageloszlásban ugyanis valaminek változást kellett előidéznie, különben nem alakulhattak volna ki azok a "csomók", amelyekből később a Világegyetem égitestei létrejöttek. Az anyag csomósodását a sugárzás kvantumingadozásaira vezették vissza. A sugárzás ingadozása által okozott kis eltérést aztán a tömegvonzás felerősítette: az anyag anyagot vonzott, galaxishalmazok, ezeken belül pedig galaxisok formálódtak.

A COBE-kísérlet tervezésénél eleinte egyezred Celsius-foknyi eltérésre számítottak a kutatók. Mások viszont arra hívták fel a figyelmet, hogy a számításoknál a sötét, nem sugárzó anyag hatását is figyelembe kell venni, így viszont már csak százezred fok nagyságrendjébe estek a várható eltérések. Nyilvánvaló, hogy ennyire kis különbségek kimérése igen nagy technikai kihívás.

A COBE mérései végül a földi megfigyelésekkel összhangban mutatták ki bizonyos irányokban a hőmérséklet parányi eltérését. Stephen Hawking 1992-ben a The Timesnak nyilatkozva az évszázad, de akár minden idők legnagyobb felfdedezésének minősítette a COBE mérési eredményeit. Az irányeltérések kimérése, az anizotrópia felfedezése a most odaítélt díj másik indoka.

A COBE méréseit továbbiak követték, legutóbb a WMAP műhold pontosította az anizotrópia térképet, a korábbinál sokkal finomabb részleteket tárt fel (lásd korábbi cikkünket). Az új, pontosabb mérések is igazolták az Ősrobbanás elméletét, és bizonyítékot szolgáltattak arra is, hogy az Univerzumnak volt egy ún. inflációs szakasza, amikor nagyon gyorsan tágult. A hőmérséklet irányeloszlásának ismerete segít a modern fizika egyik nyitott alapkérdésenek megválaszolásában is: milyen a látható anyag, a sötét anyag és az ismeretlen sötét energia aránya és sűrűségeloszlása.

Az Ősrobbanástól napjainkig. Közvetlenül a kezdeti esemény után egy drámai mértékű tágulás következett (felfúvódás). Ezután a tágulás folytatódott, de az üteme egyre lassult. Úgy tűnik, néhány milliárd éve ismét egy gyorsulva táguló szakasz következett, ebben élünk ma. Szerencsére ez az időszak nem olyan viharos, mint a korai inflációs Világegyetemé volt (forrás: WMAP)

John C. Mather 60 éves, Berkeley-ben a Kalifornia Egyetemen doktorált, jelenleg a NASA Goddard-űrközpontjában dolgozik. George F. Smoot 61 éves, a Massachusetts Műegyetemen (MIT) doktorált, jelenleg a Kalifornia Egyetem professzora Berkeley-ben. A díjat egyenlő arányban megosztva kapták.

Jéki László