A csoport munkáját a Magyar Tudományos Akadémián kívül az Európai Unió is támogatja az ERC Starting Grant és a Marie Curie Reintegration Grant ösztöndíjjal. A Boross Péter, Dóra Balázs, Kiss Annamária és Simon Ferenc által jegyzett, eredményeiket összegzõ tanulmány a rangos Scientific Reportsban látott napvilágot.

"Az informatika rohamos fejlõdése elõrevetíti, hogy a következõ 10-15 évben a hagyományos elektronikai architektúrára, azaz mûködési elvre épülõ eszközök elérik teljesítõképességük fizikai határait, tovább nem növelhetõ a sebességük és a tárolókapacitásuk. Ráadásul az informatikai eszközök sebességének emelkedése fokozza az energiafelhasználást, és növeli ökológiai lábnyomunkat" – vázolta az mta.hu-nak a kutatásokat irányító Simon Ferenc, az MTA doktora, a Budapesti Mûszaki és Gazdaságtudományi Egyetem (BME) egyetemi tanára a probléma lényegét, amelynek a megoldását a fizikusok világszerte immár több évtizede keresik.

A témában rendkívül ígéretesnek bizonyul egy teljesen új számítástechnikai architektúra, a spintronika kifejlesztése. Míg a jelenleg használatos eszközök az elektron töltésének felhasználásával mûködnek, a jövõ berendezéseiben az elektronnak egy másik kvantumtulajdonsága, spinjének, saját perdületének iránya lesz a mérvadó. Mivel a spinek koherens állapota sokkal tovább marad meg, mint az egy irányba mozgó töltéseké, a spintronikai eszközök számos elõnnyel kecsegtetnek a hagyományos elektronikai eljárásokhoz képest.

"A spintronika azt ígéri, hogy sokkal kevesebb elektronnal, kisebb egységekben és nagyobb megbízhatósággal lehet ugyanazokat a mûveleteket elvégezni" – emelte ki Simon Ferenc. Hozzátette: a terület számos sikere ellenére, mint amilyen a jelenlegi merevlemezekben már spintronikai elven alapuló olvasófejek alkalmazása, számos fontos kérdés és technikai probléma még tisztázásra vár . Ezek közül az egyik legfontosabb az anyag spintronikai használhatóságát jellemzõ spinrelaxáció jelensége, amelynek elméleti alapjait az 1950-es évek óta kutatják.

"A spinrelaxáció azt írja le, hogy az azonos spinirányba beállt elektronok sokaságának közös orientációja milyen sebességgel szûnik meg haladásuk közben. Az anyag egyensúlyi állapotában a spinek iránya rendezetlen, nincs közöttük semmiféle összhang. Amennyiben viszont mégis sikerül koherenciát létrehozni, a spinrelaxáció megmutatja, mennyi idõ alatt szûnik meg ez az állapot" – fogalmazott a fizikus. Kutatócsoportjának a spintronika területén elért eredményeirõl szólva Simon Ferenc elmondta, hogy Dóra Balázzsal, a BME docensével az elmúlt hat évben hat közleményük jelent meg a témában a Physical Review Lettersben, egy további pedig az Europhysics Lettersben.

Mint megjegyezte, Dóra Balázs tagja a 2011-ben Zaránd Gergely vezetésével megalakult MTA-BME "Lendület" Egzotikus Kvantumfázis Kutatócsoportnak, ahogy a csapathoz nemrég csatlakozott két fiatal fizikus, Kiss Annamária és Pályi András is. A spintronikai kutatócsoport munkáját a Magyar Tudományos Akadémián kívül a Starting Grant pályázat keretében az Európai Kutatási Tanács (European Research Council) is támogatja, s elnyertek egy másik uniós ösztöndíjat, a Marie Curie Reintegration Grantet is.

A Scientific Reportsban közölt tanulmányban a szerzõk leírják, miként egyesítették a spinállapot leírására jelenleg alkalmazott két külön elméletet, az Elliott-Yafet- és a Gyakonov-Perel-teóriát, amelyek a spinrelaxációra különbözõ hõmérsékletfüggést adnak a fémekben és a félvezetõkben az úgynevezett inverziós szimmetria meglététõl függõen. (Az inverziós szimmetria azt jelenti, hogy ha egy atomra mint pontra tükrözik a kristályt, akkor önmagába megy át.) "A probléma a két elmélet párhuzamos meglétével az, hogy ugyanannak a fizikai paraméternek, a spinrelaxációnak a leírására teljesen eltérõ fizikai alapokat és matematikai eszközöket használnak" – fejtegette Simon Ferenc.

A magyar kutatók azt a kérdést tették fel, nem lehetséges-e a két elméletet egységes fizikai alapokra helyezni és egységes matematikai formalizmussal leírni. Általános alapokon nyugvó elméletük nemcsak egységesíti a két eddigi elméletet, hanem kidolgozása során olyan fizikailag releváns eseteket is azonosítottak, amikor a két elmélet jósolta spinrelaxációs jellegek folytonosan egymásba alakulnak.

"Eredményeinket új, spintronikai potenciállal bíró anyagok tudatos tervezésére lehet alkalmazni. Egy számítógéphez szükséges tranzisztorok tervezésekor például az elsõ kérdés az, hogy az elektronmobilitástól függõen milyen anyagból, szilícium, germánium vagy gallium-arzenit felhasználásával készüljenek-e. A mi módszerünk azért jó, mert segítségével elméleti úton megjósolhatók az anyagok spinrelaxációs tulajdonságai" – összegezte Simon Ferenc.

Mi a spintronika?

A spintronika egy új perspektivikus iparág. A spintronika a spin és az elektronika szavak összevonásából kialakított új szó, fogalom. Régóta ismert tény, hogy az elektromos töltés mellett az elektron spinnel is rendelkezik. A kvantummechanika hajnalán 1922-ben – a Stern–Gerlach-kísérlet bizonyította be a spin létezését. A napjaink technikáját meghatározó elektronika iparág olyan eszközökön alapul, amelyekben csak az elektron töltését használják ki. Az utóbbi években azonban megjelentek újfajta, nanotechnológia felhasználásával készített eszközök is, amelyek mûködési elvét az elektron kétféle spinbeállási lehetõsége biztosítja, megteremtve ezáltal egy új, perspektivikus iparág, a spintronika alapjait.

A spintronika születése az óriás mágneses ellenállás felfedezésétõl számítható. Az óriás mágneses ellenállást (GMR, Giant MagnetoResistance ) 1988-ban fedezték fel. A felfedezéséért, 2007-ben fizikai Nobel-díjat kapott megosztva Albert Fert (1938- ) francia fizikus és Peter Grünberg (1939- ) német fizikus. A GMR felfedezése katalizált sok egyéb, már korábban megindult, ma már spintronikainak nevezett egyéb kutatást is, illetve teljesen új spintronikai kutatási területek is megjelentek. Az elõbbiekre példa az alagutazó mágneses ellenállás (angolul: tunnelling magnetoresistance = TMR) vizsgálata FM-fém/szigetelõ/FM-fém heterostruktúrákban, a spintranzisztor fejlesztése, a mágneses félvezetõk kutatása, utóbbiakra példa a GMR-szerkezetek és félvezetõk kombinálásából álló hibrid eszközök létrehozása vagy az áram indukálta átmágnesezési folyamatok vizsgálata. Mindezek tulajdonképpen egy spintronikai iparág megalapozását jelentik, az alagutazó mágneses ellenállásra alapozott mágneses (vagy igazából inkább magnetorezisztív) RAM-memóriák (MRAM) fejlesztése például már nagy intenzitással folyik világszerte.