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PREMIO NOBEL DE FÍSICA EN 2007: ALBERT FERT
Después de recibir varios otros premios, Albert Fret fue galardonado con el Premio Nobel de
Física de 2007 junto con Peter Grünberg, por el descubrimiento de la magnetorresistencia gigante
(GMR). La GMR fue descubierta simultáneamente en 1988 en multicapas de Fe/Cr por Albert Fret
(Baibich et al, Phys. Rev. Lett. 61, 2412, 1988) y en tricapas de Fe/Cr/Fe por Peter Grünberg (Binash et
al, Phys. Rev. B 39, 4828, 1989). El artículo de Fert presentaba tanto los resultados experimentales
como sus interpretaciones en base a sus trabajos previos sobre la conducción dependiente del
espín en materiales ferromagnéticos. Dado que el cambio en la resistencia entre las configuraciones
paralelas y antiparalelas de las multicapas de Fe/Cr alcanzaba el 80%, Fert acuñó la expresión
“Magnetorresistencia Gigante” para describir el pronunciado efecto. El descubrimiento de la GMR
tuvo un impacto inusitado, en primer lugar porque inmediatamente resultó que se estaba abriendo
un nuevo campo de investigación en ciencia y tecnología (llamada hoy en día Espíntrónica), y en
segundo lugar porque se comprendió rápidamente su potencial de aplicaciones. En 2003, con 2455
citas, (y 3500 en 2007!), el artículo de 1988 de Fert se situó en el sexto puesto del “Top Ten” de las
Physical Review Letters más citadas desde la creación de esta publicación en 1953.
La GMR y la Espíntrónica encuentran sus raíces en los trabajos pioneros de Albert Fret a
finales de los 60 sobre la influencia del espín en la movilidad de los electrones en materiales
ferromagnéticos (Fert and Campbell, Phys. Rev. Lett. 21, 1190, 1968; J. Phys. F 6, 849, 1976). Después
de haber demostrado experimentalmente que, en un material ferromagnético, los electrones de
distinta polarización (espín arriba y espín abajo en el eje de imanación) llevan diferentes corrientes
(como originalmente sugirió Sir Neville Mott), Fert desarrolló el conocido “modelo de dos
corrientes” de la conducción eléctrica en materiales ferromagnéticos. Él también mostró que se
pueden obtener asimetrías de espín en la conducción muy grandes dopando el metal
ferromagnético con impurezas seleccionadas para dispersar bien diferenciadamente los electrones
de espín arriba y los de espín abajo (impurezas de hierro o cobalto en niquel, por ejemplo, dispersan
los electrones de espín abajo 20 veces con más fuerza que los electrones de espín arriba).
Además, algunos de los experimentos de Fert sobre aleaciones ternarias estaban ya
introduciendo la idea que explotaría más tarde para producir los efectos de GMR. Mostró que la
resistividad de una aleación ternaria, por ejemplo N1-x(Ax-y,By), se ve fuertemente aumentada si la
dispersión de las impurezas A y B tienen asimetrías de espín inversas. Reemplazando las impurezas
A y B por capas magnéticas A y B, se espera igualmente un gran aumento de la resistividad cuando
sus imanaciones se dan en direcciones opuestas, que es el concepto básico de la GMR. Sin embargo,
este concepto sólo funciona si el grosor de las capas está dentro del rango nanométrico. La
fabricación de multicapas metálicas con grosores de ese rango se hizo tecnológicamente posible a
mediados de los 80.
El descubrimiento de la GMR abrió inmediatamente una extensa área de investigación,
atrayendo a científicos de todo el mundo al nuevo campo de la espíntrónica. Albert Fret siempre ha
estado al frente en este campo y ha logrado con sus colaboradores extraordinarias contribuciones
para un gran número de emergentes investigaciones en espíntrónica. Junto con Levy y Zhang, Fert
desarrolló la teoría mecano-cuántica de la GMR en 1990 (Phys. Rev. Lett. 65, 1643, 1990). Inicialmente
estudió la configuración CIP (‘Current In the Plane’, corriente en el plano), y a estos experimentos
pronto siguieron la exploración de la geometría de la CPP (‘Current Perpendicular to the Plane’,
corriente perpendicular al plano). La CPP-GMR no es interesante sólo por sus aplicaciones, sino
también porque ha revelado algunos efectos de acumulación de spin, que fueron analizados en un
artículo seminal (T. Valet y A. Fert, Phys. Rev. B 4 8, 7099, 1993). Estos efectos todavía juegan un
importante papel en los descubrimientos más recientes sobre espíntrónica, tales como la
espíntrónica en semiconductores (A. Fret et al, IEEE Transactions on Electrón Devices, 54(5), 921,
2007), o la espíntrónica molecular (L. Hueso et al., Nature 445, 410, 2007). Descubrió una altísima
magnetorresistencia (1800% a baja temperatura) en uniones túnel magnéticas (MTJ) basadas en el
óxido magnético La2/3Sr1/3MnO3 (Appl. Phys. Lett. 82, 233, 2003) y demostró el rol esencial de las
propiedades electrónicas de la barrera túnel en las MTJ (Science 286, 507, 1999). Él fue también el
primero en la colaboración con un grupo español en informar sobre una significativa
magnetorresistencia en MTJ basadas en MgO (Appl. Phys. Lett. 79, 1655, 2001), que ahora se están
desarrollando en todo el mundo. Por último, pero no por ello menos importante, contribuyó
significativamente al estudio del fenómeno de transferencia de espín. Originalmente predicho por
John Slonczewski, de IBM, un grupo en Cornell, en 2000, y el grupo de Fert en 2001 (Grollier et al.,
Appl. Phys. Lett. 78, 3663, 2001) fueron los primeros en observar la inversión de la imanación por
precesiones inducidas por transferencia de espín. Estos resultados dieron pie a una intensa
actividad investigadora y, hoy, la conmutación precesional magnética por transferencia de
momento de espín es utilizada en varios tipos de dispositivos magnéticos, multicapas metálicas,
válvulas de espín o uniones túnel.
Para concluir, debemos recordar que Albert Fert llevó su investigación en estrecha
colaboración con la compañía Thomson-CSF (ahora Thales) desde 1986. Empezó como una
colaboración informal entre su grupo en el Laboratoire de Physique des Solides d’Orsay y el grupo de
Física del Laboratorio Central de Investigación de Thomson-CSF, liderado por Alain Friedrich.
Ambos co-fundaron en 1955 el laboratorio “Unité Mixte de Physique CNRS/Thales” asociado a la
Universidad de Paris – Sur, un gran ejemplo de colaboración entre la academia y la industria.
Emérito profesor de la Universidad de Paris – Sur desde octubre de 2006, Albert siempre fue
feliz al tener todo el tiempo del mundo para sus investigaciones. Pero el Premio Nobel ha cambiado
ligeramente sus planes… Después de este ocupado año, sabemos que está más que impaciente por
encontrar un momento para sentarse y seguir contribuyendo al futuro de la espíntrónica.
Frédéric Petroff
Científico senior del CNRS y director suplente del Unité Mixte de Physique CNRS/Thales. Orsay,
Francia.
* * *
PREMIO NOBEL DE FÍSICA EN 2007: PETER GRÜNBERG
El premio Nobel alemán en 2007, Peter Grünberg es un ejemplo de un físico dedicado a la
investigación fundamental con un fino olfato para encontrar la aplicación potencial de sus trabajos,
que de repente se encuentra con un sobrecogedor descubrimiento tecnológico. Cuando su primer
artículo fue rechazado, inició una patente incluso antes de que su colega francés Albert Fert, y su
grupo informaran independientemente de los resultados de su descubrimiento. La patente cubría
un “Sensor magnético con una lámina delgada ferromagnética” para leer datos guardados
magnéticamente. Nueve años más tarde el primer producto, una cabeza lectora de discos duros, se
puso en el mercado, desafortunadamente no por una compañía europea. Este descubrimiento
revolucionario en el advenimiento del campo emergente de la espintrónica es otra lección
memorable a aprender por la administración de la investigación. Se subraya otra vez el incalculable
valor de la investigación fundamental conducida por la curiosidad. La persistente demanda de la
aceleración de la transferencia de conocimientos desde la investigación fundamental al mercado ha
ocurrido, en este caso silenciosamente, sin ningún planeamiento estratégico. En este contexto,
debe ser mencionado el trabajo vanguardista de Stuart Parkin en el centro de investigación “IBM
Almaden Research Centre” en multicapas magnéticas, mediando entre la investigación
fundamental y la comercialización del nuevo sensor magnético y conceptos de memoria.
El paso inicial hacia el extraordinario descubrimiento en la parte de Peter Grünberg se inicia
en el descubrimiento en 1986 de una orientación antiparalela de la imanación de dos capas de
hierro separadas por una capa de cromo. Como técnica de muestreo Peter Grunberg utilizó la
dispersión inelástica de Brillouin (BLS) empleando un interferómetro Fabry-Pérot de alto contraste.
Con este método bastante especializado, él fue capaz de determinar el signo de la constante de
canje de la intercapa, oscilante entre valores positivos y negativos paralelos y antiparalelos con
respecto a las capas ferromagnéticas. Por medio de la técnica BLS Peter Grünberg ya en 1977
observó ondas de espín en superficie y en el interior de un semiconductor magnético de EuO. En los
años siguientes estudió numérica y experimentalmente el espectro de las ondas de espín de
láminas ferromagnéticas acopladas por canje y dipolarmente, dando pié a su posterior
descubrimiento.
Es característico de Peter Grünberg seguir ciertos pensamientos de manera persistente
independientemente de los temas candentes que atraen mucho la atención de manera temporal.
En cierta medida este enfoque presenta una similaridad con el de Albert Fert cuyo descubrimiento
radica en el transporte dependiente de espín que data de finales de los 60. Ambos científicos
miman su pasión por la investigación fundamental. Peter Grünberg, en particular, ha desarrollado
una imaginación descriptiva de cómo los fenómenos pueden suceder y normalmente le gusta
explicarlos en términos bastante sencillos. Es inolvidable para muchos de los asistentes de varias
conferencias de magnetismo de los 80 cómo Grünberg demostraba experimentalmente en el
escenario la anisotropía de capas acopladas por medio de canje o magnéticamente. Utilizaba
muestras flotando en el agua que se exponían a dos polos contrarios de dos imanes permanentes
bajo diferentes direcciones fuera del recipiente. Ésta tarea se demostró como impresionante y
fructífera. El verano pasado, por ejemplo, dio otro ejemplo de su visión sobre la magnetorresistencia
gigante (GMR) en un congreso interno de su instituto, donde elaboró una serie de cuestiones
fundamentales que todavía no habían sido respondidas. Este impulso permanente va con Peter
Grünberg como el autor de este artículo pudo atestiguar durante una larga cooperación con él. Ésta
se inició a finales de los años 70, cuando ambos colaboraban en la dispersión de luz en láminas
delgadas ferromagnéticas entre el instituto Max-Planck de investigación del estado sólido en
Stuttgart y el centro de investigación Jülich, donde Peter Grünberg vivía. Entre 1983 y 1997 la
cooperación se mantuvo en el marco del centro de colaboración en investigación “SFB 125” y
“SFB341” entre la universidad de Colonia, el centro de investigación Jülich y la universidad de
Aachen RWTH donde el autor se encuentra. El éxito del centro de colaboración en investigación se
debe también a los esfuerzos del Prof. Werner Zinn, director en el instituto de investigación del
estado sólido del centro de investigación Jülich.
En lugar de todos sus extraordinarios logros, Peter Grünberg ha mantenido su naturaleza
modesta además de su personalidad cordial y amigable, de la que muchos amigos y científicos han
disfrutado y estimado durante todos estos años.