Tettpakket framtid

Professor Arne Brataas kjøpte sin første datamaskin som trettenåring i 1982. Det var en Sinclair ZX Spectrum, med 48 kb RAM og en ekstern kassettspiller som lagringsmedium. Hastigheten var på 4 MHz.

Navnet skulle antyde at maskinen var like lynrask som en rallybil med turbolader og alt ekstrautstyr.

For å si det forsiktig: Både datamaskin-verdenen og trettenåringen har hatt en rask vekst.

Dagens hjemmedatamaskiner er mer enn tusen ganger raskere enn guttungens første «rallybil» – og har ti tusen ganger større minne.

Guttungen selv har studert faste stoffers fysikk ved NTNU, og deretter hatt postdoktorstilling ved både TU Delft og Harvard University, før han i 2002 vendte tilbake til sitt gamle universitet. Som professor, i en alder av 33 år.

Her sitter han nå i en blå sofa og tenker på hva han kan bruke spinnende elektroner til.

Moores lov

Det er umulig å snakke om datakraft uten å streife innom Gordon Moore, en av Intels grunnleggere. Han spådde i 1965 at antallet transistorer på en databrikke vil fordobles hvert annet år.

I 1979, noen få år før Brataas kjøpte sin første maskin, hadde den banebrytende mikroprosessoren Motorola 68000 – som navnet antyder – 68 000 transistorer. Tretti år senere var mikroprosessoren i Intels Core i7 stappet med svimlende 731 millioner transistorer.

Men grensen er snart nådd for hva som er mulig å presse inn på en databrikke. Dagens brikker har silisiumtransistorer som er mindre enn en tusendel av diameteren på et hårstrå. Det økende antallet transistorer på brikkene genererer mer og mer varme, da det trengs mer strøm for å drive dem.

Varmen er faktisk det som vil begrense utviklingen av dagens pc-er. En ytterligere økning fra dagens hastighet kan føre til at silisiumbrikkene vil smelte.

Tøyer grensene

Forskere som Brataas arbeider med å tøye grensene for hvor mye informasjon som kan puttes inn i en databrikke. Morgendagens databrikker, slik de ser dem for seg, vil ikke nødvendigvis vil være laget av silisium. De kan være laget av andre materialer, for eksempel karbon.

Og hvis forskere som Brataas får et ord med i laget, vil ikke denne nye typen brikker bruke elektronladning for å svitsje mellom 0 og 1 – dagens grunnleggende prinsipp for all datakraft. I stedet vil de benytte seg av en helt annen egenskap hos elektronet: at det spinner.

Spinntronikk

Elektroner roterer – eller spinner. Og hvert enkelt spinnende elektron skaper hvert sitt magnetiske felt. I magnetiske metaller orienterer alle de spinnende elektronene seg i samme retning. I ikke-magnetiske materialer spinner de tilfeldig.

Elektronspinn ble første gang beskrevet i 1928, men ingen så noen direkte anvendelse for det den gangen. I 1988 oppdaget imidlertid franskmannen Albert Fert og tyskeren Peter Grünberg det fenomenet som kalles GMR – gigantisk magnetresistans: I lag av ferromagnetisk metall, med tykkelse på bare noen atomer og atskilt av ikke-magnetisk metall, vil små magnetiske forandringer gi stort utslag i elektrisk ledeevne.

Dagens prosessorer er basert på GMR-teknologi og benytter elektriske ladninger for å kode og behandle informasjon. En prosessor basert på spinntronikk-teknologi, vil i tillegg kontrollere den magnetiske orienteringen (spinnet) til elektroner. Resultatet er elektroniske kretser med en fysisk størrelse ned på atomnivå. Det vil gi enorm beregningskraft samtidig som det genereres veldig lite varme.

Liten, mindre, minst

Det mest dramatiske beviset på hvordan GMR har endret elektronikkens verden, har du antagelig i en lomme eller veske: MP3-spillere og iPoder utnytter GMR til å minske størrelsen på harddisken, redusere strømforbruket og øke hastigheten. Det er grunnen til at du kan gå rundt med en MP3-spiller med mange gigabyte lagringsplass, i hånda.

GMR er det første kommersielle eksempelet på hvordan elektronspinn har ført til en enorm teknologisk endring. Men det er nok langt fra det siste. Fysikere ser for seg en mengde nytt utstyr, fra nye typer datahukommelser til nye typer datamikroprosessorer. Ettersom teknologien er basert på magnetisme, kan den være svært effektiv og mye mindre enn vanlig utstyr.

Men å lage dem krever en dyp forståelse av elektronspinn og hvordan det oppfører seg i forskjellige materialer og i ulike situasjoner.

Det er her Brataas og teamet hans kommer inn.

Den blå sofaen

Brataas og hans team tenker mye på spinn for tida – og da er tenke et helt presist ord for arbeidet deres.

Teamet, som foruten professoren omfatter fire doktorgradsstudenter og tre postdoktorer, utfører ingen fysiske eksperimenter. De er teoretiske fysikere. Moderne fysikk er så kompleks å forstå at den krever to ulike typer fysikere: Teoretikere som Brataas beskriver og forklarer materiens oppførsel med matematikkens språk, mens eksperimentalister utforsker og måler naturen omkring oss.

Fysikkfaget trenger begge.

««Vi ser ser for oss en mengde nytt utstyr, fra nye typer datahukommelser til nye typer datamikroprosessorer.»

Fysikkprofessor Arne Brataas

Spør du Brataas om hvor han har laboratoriet sitt, peker han derfor smilende på en L-formet, kongeblå sofa på kontoret, og sier som sant er: – Jeg har ingen kule ting å vise deg.

Skrivebordet hans er ryddig, med papirer ordnet i sirlige bunker. Bare den 27 tommer store dataskjermen viser tegn på aktivitet. Her ser vi en matematisk utledning han arbeider med. Den er utrolige 53 sider lang.

Men det spartanske kontoret gir et galt inntrykk av aktiviteten. I 2008 fikk Brataas’ faggruppe publisert 13 papers om spinn- og nanoteknologi-beslektede tema i høyt rangerte internasjonale fagtidsskrifter.

Fysikeren som sosiolog

Spesialfeltet deres kalles mesoskopisk fysikk. Meso betyr mellom, og mesoskopisk fysikk opererer på skalaen mellom det mikroskopiske og det makroskopiske atomære nivå. Det vil vanligvis si mellom ti og noen hundre nanometer. (En nanometer er en milliarddels meter.)

Andre fysikere jobber med enda mindre størrelser, på det subatomære nivå. Halvt spøkefullt kaller Brataas disse fysikerne for «partikkelpsykologer», fordi de studerer atferden til enkeltpartikler eller noen få partikler.

I motsetning til dette er Brataas’ gruppe «partikkelsosiologer». De ser på betydelig større grupper atomer eller partikler i et lite system. Samhandlingen til atomer på dette nivået kan være svært annerledes enn hva som er observert i større biter materie.

Majoriteten av fysikere er, i likhet med Brataas, partikkelsosiologer.

Sosiologien fører en ofte til fysiske fenomener som fremdeles ikke er forstått. Nanoteknologien åpner et nytt vindu for å observere og forstå disse fenomenene, eller å oppdage nye.

Små, rare verdener

De som studerer partiklenes sosiologi, ser på forskjellige materialer under ulike forhold. Brataas og co har undersøkt ferromagnetiske halvledere som bare er magnetiske ved veldig lave temperaturer. De har sett på et fenomen som kalles domenevegger. På nanonivå har linjene mellom magnetiske og ikke-magnetiske områder i et metall glidende overganger mer enn skarpe avgrensninger. Disse domeneveggene kan endre seg svakt ved bruk av elektrisk strøm. Denne egenskapen ligger til grunn for en idé om et nytt informasjonslagringssystem, kalt «magnetic racetrack memory».

Ett av de mest fengslende områdene i forskningen deres involverer karbon-nanorør og grafen – som består av ett lag karbonatomer. I 2006 publiserte Brataas og hans team en prediksjon om hvordan elektronspinn vil oppføre seg i et karbon-nanorør. Den gikk imot rådende vitenskapelig oppfatning. I 2008 beviste et team eksperimentelle fysikere ved Cornell University at NTNU-forskerne hadde rett.

En av mange grunner til at fysikere er interessert i karbon-nanorør, er at rørene gjør det mulig å skille elektronene som spinner den ene retningen, fra dem som spinner den andre retningen. Denne tosidige relasjonen kan benyttes til å lagre data, på lignende måte som dagens databrikker lagrer data gjennom å «svitsje mellom 0 og 1».

Lang dags ferd

Men å bevege seg fra teori til praktisk bruk krever spesiell forståelse, ikke vage generaliseringer. I 2006 forutså Brataasgruppen at det vil være påviselige interaksjoner mellom elektroners spinn og bane, i bøyde strukturer som nanorør. Et annet team med eksperimentelle fysikere bekreftet dette i fagbladet Nature, våren 2008. De viste at interaksjonen mellom elektroners spinn og deres banebevegelser er sterk.

– Dette kan være en nøkkel til å finne måter å bruke nanorør på i spinntronikk-utstyr, sier Brataas.

– Når spinn samspiller med bevegelsen, betyr det at vi kan manipulere spinn, forklarer han. – Det gjør det mulig å ha elektrisk kontroll over magnetisk informasjon – som kan lede til spinntronikk-mikroprosessorer. Eller å lage magnetiske sensorer.

Uansett: Det er langt å gå, både på teoretiske og på eksperimentelle nivå, før nanorør-basert spinntronikkutstyr er å finne i butikkhyllene. Men for Brataas ligger spenningen og det vakre ved teoretiske fysikk i forståelsen av det fundamentale ved hvordan verden henger sammen. Ikke nødvendigvis i det å utvikle spinntronikk-utstyr.

– Fysikk er først og fremst å forsøke å beskrive naturen, sier han.