Vite di persone di scienza: Peter Grünberg
di Paolo Di Sia
Peter Grünberg ci ha lasciati il 7 aprile 2018, all’età di 78 anni. Fisico tedesco, ha vinto il premio Nobel per la fisica il 9 ottobre 2007 assieme ad Albert Fert, per i suoi studi sull’effetto di magnetoresistenza gigante, rivoluzionando la memorizzazione dei dati mediante il magnetismo nei nanomateriali.
Peter Grünberg
Grünberg è nato nel 1939 a Pilsen, in Boemia, in una regione che ora è parte della Repubblica Ceca. Nel 1945 la sua famiglia partì per la Germania occidentale e lì, all’età di 19 anni, andò a studiare fisica all’Università Goethe di Francoforte; fece poi un dottorato di ricerca presso l’Università tecnica di Darmstadt.
Durante il dottorato egli utilizzò la spettroscopia ottica per determinare i livelli di energia degli ioni delle terre rare (che sono un gruppo di 17 elementi chimici della tavola periodica, precisamente scandio, ittrio e i lantanoidi) nei cristalli di granato magnetico (i granati sono un gruppo di minerali nesosilicati).
Nel suo post-dottorato alla Carleton University di Ottawa (Canada) (1969-1971) ha utilizzato la diffusione Raman sui granati (la diffusione Raman è una diffusione anelastica di fotoni, dove un fascio di luce incide su un campione e lo attraversa senza subire modifiche o viene assorbito, a seconda della lunghezza d’onda della luce e della natura del campione. La differenza di energia tra i fotoni incidenti e quelli diffusi anelasticamente, corrisponde ai livelli energetici vibrazionali della molecola diffondente e l’analisi dello spostamento delle righe spettrali fornisce informazioni sulla composizione chimica, la struttura molecolare e le interazioni intermolecolari del campione). Nel 1972, grazie alla sua esperienza nello studio spettroscopico dei materiali magnetici, ebbe l’offerta di un incarico nell’allora recentemente fondato “Istituto per il magnetismo” presso il Centro di ricerca Jülich, in Germania.
Lì Grünberg dimostrò rapidamente il suo spirito pionieristico, sviluppando la tecnica della spettroscopia di scattering della luce di Brillouin (Brillouin light-scattering spectroscopy) (BLS). La BLS avviene quando la luce che si propaga in un mezzo come l’aria, l’acqua, i cristalli, trova una variazione di indice di rifrazione e può subire un urto (spesso anelastico) cambiando la propria direzione di propagazione; essa esamina pertanto la dispersione anelastica della luce e può sondare sia lo stato fondamentale dei materiali magnetici, sia i loro stati eccitati.
Negli anni ’70 molti fisici lavoravano intensamente per individuare i modi specifici di eccitazione che si verificano sulla superficie dei materiali magnetici (vibrazioni atomiche che producono eccitazione degli atomi e quindi probabilità che avvenga la diffusione). Grünberg individuò questi modi e li identificò come onde di spin del tipo Damon-Eshbach (un’onda di spin, detta anche “magnone”, è una perturbazione della configurazione di spin dello stato fondamentale di un sistema, come un solido cristallino).
Grünberg usò poi una tecnica emergente di crescita di metalli su singoli cristalli per estendere i suoi esperimenti BLS a strati di materiali magnetici di spessore inferiore a 1 nanometro (un miliardesimo di metro); in un sistema a tre strati (ferro magnetico, cromo non magnetico, ferro) il suo gruppo dimostrò l’esistenza di un accoppiamento di scambio antiferromagnetico tra gli strati di ferro attraverso il cromo [1]. Questa è stata la prima dimostrazione di un effetto quantistico nel magnetismo; l’accoppiamento risulta dall’interferenza tra le funzioni d’onda elettroniche riflesse sulla superficie degli strati magnetici.
Egli fu uno dei primi a comprendere il potenziale delle nascenti nanotecnologie per la ricerca fondamentale. La sua scoperta fondamentale (per la quale ha vinto il premio Nobel assieme ad Albert Fert, che indipendentemente ha trovato gli stessi risultati, facendo quindi la stessa scoperta) riguarda la magnetoresistenza gigante (detta GMR), relativa al grande cambiamento nella resistenza elettrica indotta da un piccolo campo magnetico in pile di strati ultrasottili magnetici e non magnetici.
Il suo lavoro ha portato allo sviluppo delle unità di disco rigido (hard-disk) e ha notevolmente aumentato l’archiviazione dei dati. Ha anche dato il via al recente campo della spintronica, che studia le strutture elettroniche e gli spin dei più svariati materiali, e costituisce un’unione tra elettronica e magnetismo proponendosi di affidare allo spin dei portatori, anziché alla modulazione della carica elettrica, la codifica binaria (come tecnologia di memorizzazione ed elaborazione dell’informazione).
Fin dall’inizio apparve chiaro che la GMR avrebbe avuto vaste applicazioni, soprattutto perché si verifica a temperatura ambiente. Si è infatti dimostrata utile per i sensori magnetici e, in particolare, per la lettura di dischi rigidi (hard-disks) magnetici.
Grünberg aveva una visione molto chiara per i dispositivi intelligenti basati sulla GMR, incluso il concetto di “spin-valve” che brevettò e che è stato successivamente sviluppato presso l’IBM per l’utilizzo nei dischi rigidi. I primi dischi rigidi commerciali basati sulla GMR, sono comparsi nel 1997. Da allora, la loro capacità di archiviazione dei dati è aumentata di quasi tre ordini di grandezza. Egli ha concepito molti altri dispositivi, dai sensori magnetici alla bussola, utilizzati oggi negli smartphone.
La scoperta della GMR ha dato il via ad un intenso periodo di attività di ricerca con nuovi esperimenti, nonchè lo sviluppo della teoria alla base della GMR. Il team di Jülich di Grünberg ha adottato un approccio semi-classico, Fert (in collaborazione con la New York University) un approccio quantistico.
Il fiorente campo della spintronica ha prodotto risultati affascinanti. Nel 1995, Terunobu Miyazaki e Nobuki Tezuka in Giappone, assieme ad un gruppo americano guidato da Jagadeesh Moodera, hanno mostrato indipendentemente che il tunneling quantistico degli elettroni tra gli strati magnetici dà origine a magnetoresistenze molto più grandi della GMR [2,3]. Nel 1996, John Slonczewski all’IBM a Yorktown Heights (New York) e Luc Berger della Carnegie Mellon University di Pittsburgh (Pennsylvania) hanno introdotto il concetto che il trasferimento di spin tra materiali magnetici potrebbe creare un momento di torsione nella loro direzione di magnetizzazione [4,5]. Oggi questi meccanismi vengono sfruttati per le memorie magnetiche non volatili.
Grünberg è stato molto stimato dai colleghi di tutto il mondo per il suo grande talento creativo in fisica e anche a livello umano per la sua integrità e modestia [6].
Approfondimenti bibliografici
[1] P. Grünberg et al., Phys. Rev. Lett. 57, 2442 (1986).
[2] T. Miyazaki, N. Tezuka, J. Magn Magn. Mat. 139, L231-L234 (1995).
[3] J.S. Moodera et al., Phys. Rev. Lett. 74, 3273 (1995).
[4] J.C. Slonczewski, J. Magn. Magn Mat. 159, L1-L7 (1996).
[5] L. Berger, Phys. Rev. B 54, 9353 (1996).
[6] Nature, vol. 557 (31 Maggio 2018)
Paolo Di Sia
Paolo Di Sia è attualmente professore aggiunto presso l’università degli studi di Padova e l’università degli studi di Bolzano. Ha conseguito una laurea (bachelor) in metafisica, una laurea (master) in fisica teorica, un dottorato di ricerca in fisica teorica applicata alle nano-bio-tecnologie e un dottorato di ricerca in matematica “honoris causa”. Si interessa del rapporto tra filosofia e scienza, di fisica alla scala di Planck, di nanofisica classica e quantistico-relativistica, di nano-neuroscienza, di fisica transdisciplinare e di divulgazione scientifica. È autore di 276 lavori distribuiti tra riviste nazionali e internazionali, capitoli di libri, libri, interventi accademici su web scientifici, pubblicazioni accademiche interne, lavori in stampa. È reviewer di vari international journals, membro di molte società scientifiche internazionali e international advisory/editorial boards, gli sono stati attribuiti vari riconoscimenti internazionali.
Paolo Di Sia
Università di Padova (Italy) & Libera Università di Bolzano (Italy)
E-mail: paolo.disia@libero.it
Webpage: www.paolodisia.com
Commenti
Vite di persone di scienza: Peter Grünberg — Nessun commento