Aan de wieg van de iPod

Fert en Grünberg (Nobelprijs Natuurkunde 2007) vonden een uniek magnetisch effect en creëerden zo een digitale én commerciële revolutie. ‘Onverwacht voor fysici, omdat wij de wetten van de markt niet kennen.’

Margriet van der Heijden

Het moet leuk zijn om tegen je kleinkinderen te kunnen vertellen dat de iPod waar ze de hele dag naar luisteren, dat díe iPod bestaat dankzij een ontdekking die jijzelf twintig jaar geleden deed. Maar nee, Albert Fert (70) en Peter Grünberg (69) hebben het er met hun kleinkinderen nog niet over gehad. “Ik heb één kleinkind en dat is pas zeven maanden”, zegt Fert. “Maar eh, ik heb zelf een iPod”, voegt hij eraan toe. “Oh, ik heb er geen”, zegt Grünberg, wiens kleinkinderen ook ‘wat jong’ zijn voor deze apparaatjes. “Mijn kinderen hebben er wel een.”

Fert en Grünberg, die vorig jaar oktober werden geëerd met de Nobelprijs voor natuurkunde, zijn in Nijmegen. Op uitnodiging van hoogleraar Theo Rasing van de Radboud Universiteit houden ze een lezing over het verleden (Grünberg) en de toekomst (Fert) van hun vakgebied. Hierna reizen ze verder naar onder meer Zweden, Japan en Engeland. Want ja, verzuchten ze, zo’n eerste jaar na een Nobelprijs gaat op aan interviews, lezingen en bijeenkomsten. Een van de leukste uitnodigingen, vertelt Fert, kreeg hij van een Frans radiostation: hij mocht een uur lang zijn favoriete jazzmuziek draaien. “Maar ik heb geen tijd gehad om zelf nieuwe muziek te downloaden.”

De vondst van Fert en Grünberg wordt niet alleen toegepast in mp3-spelers. Zij kwam ook terecht in digitale camera’s en is terug te vinden op de harddisk in elke pc. De bestanden op die harde schijf lezen, de muziek (op een klein ‘hard schijfje’) uit de iPod terugtoveren: dat kan allemaal dankzij hun werk.

Het gaat dus om systemen waarin informatie digitaal (in de vorm van nullen en enen) én magnetisch wordt opgeslagen. Een 0 wordt daarin gerepresenteerd door een minuscuul gemagnetiseerd gebiedje waarin de magnetisatie de ene kant op wijst, terwijl de magnetische veldlijnen voor een 1 juist in omgekeerde richting lopen.

uitleeskop

Zulke systemen namen een vlucht toen die ‘magnetische nullen en enen’ snel konden worden uitgelezen, óók als ze supercompact waren opgeslagen. Het werk van Fert en Grünberg maakte dat mogelijk.

In 1988 maakten zij, onafhankelijk van elkaar, stapeltjes van ultradunne laagjes die afwisselend (ferro-)magnetisch en niet-magnetisch waren. Zij ontdekten daarin een subtiel quantummechanisch effect, dat de elektrische weerstand in het stapeltje sterk kon laten veranderen. Simpel gezegd: wanneer de magnetisatie in opeenvolgende laagjes in tegengestelde richting wijst, is die weerstand veel groter (er loopt weinig stroom) dan wanneer de magneetvelden gelijkgericht zijn (dan loopt er meer stroom).

Die eigenschap maakte het óók mogelijk om met zo’n stapeltje superzwakke magneetvelden op te pikken. Zo’n miniem veld laat aan één kant van het stapeltje de magnetisatie omklappen. Als daardoor het stapeltje tegengesteld gerichte velden krijgt, wordt de weerstand meetbaar hoger. Klapt de magnetisatie terug en zijn de velden weer gelijkgericht, dan neemt de weerstand af.

Fert bedacht het theoretische concept ‘Gigantic MagnetoResistance’ om dit goed meetbare fenomeen te beschrijven. Grünberg had er, bijna direct al, patent op aangevraagd. Met vooruitziende blik, want het GMR-effect vormt al vanaf 1997 de grondslag voor gevoelige uitleeskoppen die magnetisch opgeslagen gegevens uitlezen.

Deze GMR-uitleeskoppen werkten ook als de nullen en enen in minieme gemagnetiseerde gebiedjes op een harde schijf waren samengeperst, én daar snel moest worden opgehaald. ‘Laagvliegend’ (op krap een paar nanometer, miljoenste millimeter) boven de ronddraaiende harde schijf (een draaisnelheid equivalent aan bijna honderd kilometer per uur) leest zo’n in een arm gevatte uitleeskop zeker een miljard nullen en enen per seconde uit.

Maar, zal Fert later in het gesprek zeggen, de mogelijkheid tot veel compactere gegevensopslag die altijd in één adem met hun vondst genoemd wordt, vormde niet het enige resultaat. Fert: “Naarmate het onderzoeksveld zich verder ontwikkelde, is het spectrum van toepassingen veel breder geworden”.

europees

“Het is nu bijvoorbeeld mogelijk”, valt Grünberg hem bij, “om in een DNA-reservoir genen op te sporen met biomoleculen die zijn voorzien van magnetische kralen.” De biomoleculen koppelen aan het gezochte gen, terwijl de minuscule magnetische ‘kralen’ de labels vormen waaraan gevoelige G M Rsensoren de biomoleculen, en daarmee de genen, weer kunnen herkennen. En omdat die sensoren zo vreselijk klein zijn, kun je parallel, en dus snel, naar wel honderd genen tegelijk zoeken, voegt Fert toe.

Grünberg en Fert werkten nooit samen, maar ze komen elkaar al ruim twintig jaar tegen op congressen en symposia. Dat blijkt tijdens het gesprek in een van de rotanzitjes, boven in het Nijmeegse Concertgebouw De Vereeniging. Ze vullen elkaar aan; komen terug op iets wat de ander gezegd heeft.

Allebei, en dat komt bij Nobelprijswinnaars niet meer zo vaak voor, hebben ze nagenoeg hun hele leven in Europa doorgebracht. Albert Fert werd geboren in het Zuid-Franse Carcassonne, studeerde aan de École Normale Superieure in Parijs en is, onder meer, sinds 1976 hoogleraar aan de Université Paris-Sud. Hij is in het gesprek de man van het grote gebaar; trekt lange lijnen door het onderzoek.

Peter Grünberg werd in 1939 geboren in Pilsen, nu Tsjechië, studeerde in Darmstadt en werkte, op een driejarig verblijf in Canada na, in Duitsland, onder meer sinds 1972 als hoogleraar bij het Forschungszentrum Jülich. Hij heeft oog voor detail, zet nu en dan een puntje op de i.

De eerste keer dat ze elkaar ontmoetten, was in 1988 op een conferentie in Le Creusot in Frankrijk, vertelt Fert. Daar presenteerden ze toen onafhankelijk van elkaar het werk dat hun vorig jaar de Nobelprijs opleverde. “Ik heb nog het boekje met de samenvattingen van de lezingen”, zegt Grünberg met een knikje naar Fert, “maar in de titels wordt het effect niet expliciet genoemd. Ik herinner me wel dat je hystereseplots liet zien.” Fert: “Oh, ik weet niet meer wat mijn titel was, maar ik sprak over GMR.” Grünberg: “We hebben er nog samen over zitten praten, dat is zeker.”

competitie

“In die tijd”, pakt Fert de draad van het gesprek weer op, “streden twee mogelijke systemen voor gegevensopslag met elkaar: magnetische en magneto-optische dataopslag (magnetische opslag, maar uitlezing met licht, mvdh). En het was moeilijk om te voorspellen welke van die twee systemen zou winnen...”

Voor allebei de systemen was nog onderzoek nodig. “Daarbij”, zo vertelde Grünberg eerder in het gesprek al, “stond een aan GMR verwant effect erg in de belangstelling, het anisotropisch magnetoresistance-effect (AMR).” Het idee was dat sensoren voor magnetische dataopslag hierop gebaseerd konden zijn.

Ook het AMR-effect hangt samen met veranderingen in de elektrische weerstand onder invloed van magneetvelden. Beide effecten, GMR en AMR, hebben bovendien dezelfde grondslag: dat individuele elektronen, die samen de elektrische stroom vormen, zelf kleine magneetjes zijn. De elektronen laten zich dus beïnvloeden door het algehele magneetveld. Wijzen dat magneetveld en het ‘elektron-magneetje’ in dezelfde richting, dan ondervindt een elektron relatief weinig weerstand. Wijzen ze elk naar een andere kant, dan ondervindt een elektron veel meer weerstand op zijn reis door het materiaal.

Het enige probleem was dat dit weerstandsverschil bij AMR nog te zwak was om het ondubbelzinnig te kunnen meten en om zo de nullen van de enen te kunnen onderscheiden. Dat werd in één klap opgelost, met de ontdekking van GMR. In feite, zeggen Fert en Grünberg, lagen de toepassingen voor GMR toen dus klaar.

laagjes

De clou zit in het gebruik van laagjes van enkele atomen dik, en in een koppeling daartussen, die het weerstandsverschil uitvergroot. Wijst het magneetveld in beide laagjes dezelfde kant uit, dan ondervindt een deel van de elektronen (namelijk de elektronen die dezelfde kant opwijzen als het veld) in beide laagjes weinig weerstand. Maar zijn de velden tegengesteld gericht, dan ondervinden alle elektronen veel weerstand in een van de laagjes. Die eensgezindheid, die bij AMR niet optreedt, blaast het weerstandsverschil tussen de twee situaties op.

“In ons lab werkten we ook aan AMR. En toen maten we dat én het nieuwe effect dat zoveel sterker was”, zegt Grünberg, “En toen we dat zagen, ja, toen wisten we...” “Ja, toen volgden de toepassing in de harddisktechnologie snel”, zegt Fert. “GMR nam de beoogde plek van AMR in.” Nadat het vervolgens mogelijk was geworden om gegevens samen te persen op een harde schijf zo klein als een munt, breidde ‘hun’ GMR-effect zich zelfs uit naar camera’s en iPods.

Dat was wél onverwacht. Fert: “Onverwacht voor fysici, omdat wij de wetten van de markt niet kennen.”

Cruciaal, zeggen Fert en Grünberg, was natuurlijk het nauwkeurig kunnen manipuleren van materialen. Dat waren de technieken om uit losse atomen en moleculen steeds fijnere structuren op te bouwen. Die ‘nanotechnologie’ bloeide op in de jaren negentig.

ordelijk

Eind jaren tachtig lag het verwezenlijken van de laagjesstapel nog op de grens van wat mogelijk was, vertellen ze. Zij gebruikten destijds ‘epitaxie’. Eerst lieten ze de gewenste atomen verdampen, daarna brachten ze die over naar een vacuümkamer, en daar lieten ze de atomen weer neerslaan. Heel langzaam, zodat ze zich ordelijk in een dun laagje over het oppervlak verdeelden.

Fert maakte zo een stapel van twintig laagjes chroom en ijzer. “De techniek stelde me in staat ideeën te verwezenlijken die ik al jaren in mijn hoofd had”, zegt hij. Grünberg vond een kleiner GMR-effect in een stapeltje van drie laagjes ijzer en chroom. “Bij ons ging het anders”, zegt hij. “Wij hadden de structuren, vonden een koppeling tussen de laagjes en dachten toen: wat voor interessants kan dat opleveren?”

Grootschalige toepassingen volgden nadat onder meer Stuart Parkin, een Brit die in de Verenigde Staten bij IBM werkte, heel systematisch liet zien dat GMR-stapeltjes ook zijn te construeren met snelle industriële technieken (zoals ‘sputtering’). Grünberg: “En het steeds beter prepareren van materialen en structuren is nog altijd een uitdaging, die heel veel kan opleveren.”

Vriendelijke mannen zijn het, Grünberg en Fert, die met grote vanzelfsprekendheid over hun ontdekking praten. Terwijl hij aanvankelijk, zei Fert aan het begin van het gesprek, helemaal geen natuurkundige had willen worden. “Misschien had het onderwijs destijds in Frankrijk ermee te maken. Docenten wekten de indruk dat kunst en literatuur hoogstaander waren dan de bètavakken.”

films

Zelfs toen hij in Parijs natuurkunde studeerde, aarzelde Fert: was schrijven, schilderen, films maken niet aantrekkelijker? “Enfin, ik heb het ook verteld tijdens mijn tafelrede in Stockholm, bij de Nobelprijsuitreiking. Ik was geïnspireerd door Ingmar Bergman en ik maakte een film. Maar toen ik zag dat die film lichtjaren verwijderd was van Bergmans werk, toen realiseerde ik me dat hier mijn roeping niet lag.”

Fert koos voor natuurkunde, maar ging dat vak pas tijdens zijn promotieonderzoek echt waarderen. Fert: “Ik realiseerde me dat ook onderzoek een activiteit is waarin je kunt scheppen. Je kunt in gedachten abstracte constructies maken, en het is fascinerend om te zien dat zulke constructies van de geest realiteit kunnen worden.” Het voelt, zei Fert, alsof je door een landschap trekt waarin je telkens nieuwe ontdekkingen kunt doen. “Er zijn altijd verrassingen in het veld van de kennis.”

“Misschien mag ik daar iets aan toevoegen”, zei Grünberg toen. “Ikzelf ben onder de indruk van de natuurkunde omdat het, denk ik, de meest serieuze poging is om de wereld te verklaren en te begrijpen. Natuurlijk, er zijn andere pogingen mogelijk, maar wanneer je de grote velden uit de natuurkunde onder de knie hebt, – zoals de quantumelektrodynamica, de quantummechanica en de hydrodynamica – dan heb je zo’n schitterend begrip van de wereld.”