महच्चुंबकीय रोध

हर्षल भडकमकर

नोबेल पारितोषिकाबद्दल ऐकले नसेल अशी एखादीच व्यक्ती असेल. नोबेल हे जगभरातील शास्त्रज्ञांसाठी सर्वात महत्त्वाचे आणि आयुष्यातील सर्वात मोठ्या स्वप्नासारखे असते. दरवर्षी हे पारितोषिक भौतिकशास्त्र, रसायनशास्त्र, औषधविज्ञान, अर्थशास्त्र, साहित्य आणि शांतता या क्षेत्रात उल्लेखनीय कामगिरी करणाऱ्या संशोधक / विद्वानांना देण्यात येते. ह्या पारितोषिकासाठी फक्त उत्तम संशोधनकार्यच पुरेसे नसते, तर मानवी जीवनावरील त्या विशिष्ट शोधाचा परिणामही विचारात घेतला जातो. आपण दरवर्षी जरी नोबेल विजेत्यांची नावे वर्तमानपत्रात वाचत असलो तरी त्यांचे संशोधन आपणास नीटसे उमगत नाही. म्हणूनच संगणक क्षेत्रात एक नवी क्रांती आणणाऱ्या एका शोधाबद्दल आणि त्याला गतवर्षी मिळालेल्या नोबेल पारितोषिकावर हा लेख लिहिण्याचा प्रयत्न.

गेल्या काही वर्षात संगणकाची स्मरणक्षमता झपाट्याने वाढल्याचे आपल्या सर्वांच्या लक्षात आले असेलच. साधारण ७-८ वर्षांपूर्वी आम्ही जेव्हा घरी प्रथम संगणक घेतला तेव्हा त्याची स्मरणक्षमता १० गीगाबाईट (जीबी) होती, आणि माझे मित्र हे ऐकून अवाक् झाले होते. कारण बऱ्याच संगणकांची क्षमता २-४ जीबी असे. आज संगणकांची तात्पुरती स्मरणक्षमता (रॅम) याहून जास्त असते. त्यांची माहिती पुनर्ग्रहणाची क्षमताही (रिट्रीव्हल) कित्येकपट वाढली आहे. या सर्व क्रांतीच्या मुळाशी जो भौतिकशास्त्रातील शोध आहे त्यास महच्चुंबकीय रोध (जायंट मॅग्नेटोरेझिस्टन्स, जीएमआर) असे म्हटले जाते. या परिणामाचा शोध फर्ट आणि ग्रुम्बर्ग या दोन शास्त्रज्ञांच्या गटांनी स्वतंत्रपणे लावला. या शोधासाठीच त्यांना २००७ सालचे नोबेल विभागून देण्यात आले.

फर्ट आणि ग्रुम्बर्ग

१. संगणक तंत्रज्ञान आणि एकविसावे शतक

विसाव्या शतकाच्या शेवटाकडे संगणक तंत्रज्ञानात अतिशय वेगात बदल घडून येऊ लागले. प्रोसेसर आणि मदरबोर्डच्या क्षमतेमध्ये अतिशय वेगाने वाढ होऊ लागली. माहिती साठवण्याची साधने बदलू लागली. फ्लॉपी मागे पडून सीडी सर्रास वापरल्या जाऊ लागल्या. सीडी जी एकेकाळी फक्त वाचता येई, तिच्यावर माहिती लिहिण्याची उपकरणे सहजगत्या मिळू लागली. या वेळपावेतो संगणक घराघरात पोहोचला होता. अधिक क्षमतेच्या प्रोसेसरसाठी अधिक स्मरणक्षमतेची आवश्यकता पडू लागली. प्रचलित तंत्रज्ञानाची मर्यादा गाठल्यावर संपूर्णपणे नवीन व मूलभूत संशोधनाची आवश्यकता या कामासाठी भासू लागली.

१९८८ मध्ये फर्ट आणि ग्रुम्बर्ग यांनी महच्चुंबकीय रोध या परिणामाचा शोध स्वतंत्रपणे प्रसिद्ध केला होता. चुंबकीय क्षेत्राच्या प्रभावामुळे काही पदार्थ आपला विद्युतरोध बदलतात. संगणक स्मरणिका (हार्ड डिस्क) या चुंबकीय परिणामांचा वापर करून बनवलेल्या असल्याने त्यांच्या बनावटीत हा शोध क्रांती घडवून आणेल हे त्यांच्या लक्षात आले. आणखी काही वर्षांनी या व इतर शास्त्रज्ञांच्या परिश्रमांनंतर अशा स्मरणिका १९९७ साली प्रत्यक्ष वापरात आल्या.

स्मरणिका तंत्रज्ञान

मॅक्सवेलच्या विद्युतचुंबकीय नियमांनुसार बदलते चुंबकीय क्षेत्र तारांच्या वेटोळ्यात विद्युतप्रवाह उत्पन्न करते. हा शोध एकोणिसाव्या शतकातच लागला होता. त्यामुळे चुंबकीय क्षेत्राचा वापर करून स्मरणिकेवर लिहिलेली माहिती या परिणामामुळे वाचता येईल हे साहजिकपणे ध्यानात आले. परंतु या पद्धतीने बनवलेल्या स्मरणिका आकाराने अतिशय मोठ्या असत. कालांतराने आकार कमी करण्यात जरी तंत्रज्ञांनी यश मिळवले तरी स्मरणक्षमता आणि पुनर्ग्रहण क्षमता यात बरीच सुधारणा होण्याची आवश्यकता भासू लागली. अंकस्थ संगणक (लॅपटॉप) अधिक प्रचलित होऊ लागल्यावर हे प्रश्न तंत्रज्ञांना अधिकच भेडसावू लागले.

यामुळे शास्त्रज्ञांचे लक्ष भौतिकशास्त्रातील नव्या शोधांकडे वेधले गेले. भौतिकशास्त्रात या सुमारास संघनित पदार्थ भौतिकी (कंडेन्स्ड मॅटर फिजिक्स) या शाखेत लक्षणीय प्रगती होत होती. या शाखेची एक उपशाखा - नॅनोतंत्रज्ञान, ही अनेक शास्त्रज्ञांना भावी काळाचे तंत्रज्ञान म्हणून उदयास येईल असे वाटत होते. याच उपशाखेत संशोधन करताना फर्ट आणि ग्रुम्बर्ग यांनी महच्चुंबकीय रोध या परिणामाचा शोध लावला.

२. महच्चुंबकीय रोध

चुंबकीय रोध

चुंबकीय रोध हा परिणाम एकोणिसाव्या शतकातच लॉर्ड केल्विन यांनी शोधला. १८५६ साली प्रसिद्ध केलेल्या आपल्या शोधनिबंधात त्यांनी म्हटले होते, "मला असा शोध लागला आहे की लोह चुंबकीय क्षेत्रात ठेवले असता त्याचा विद्युतरोध बदलतो. विद्युतप्रवाह जर चुंबकीय क्षेत्राच्या दिशेत असेल तर रोध वाढतो आणि प्रवाह जर लंब दिशेत असेल तर तो कमी होतो." परंतु या शोधाचा परिणाम फार मोठा होत नाही असे त्यांना दिसून आले. बऱ्याच प्रयत्नांती असे लक्षात आले की विद्युतरोधात होणारा बदल साधारणतः ५ टक्क्यांहून अधिक वाढवता येत नाही. त्यामुळे या शोधाचा व्यावहारिक उपयोग करण्यास शास्त्रज्ञ असमर्थ ठरले.

विद्युतरोध आणि पदार्थातील चुंबकत्व

विसाव्या शतकाच्या सुरुवातीस पुंज गतिकी (क्वांटम मेकॅनिक्स) शास्त्राचा शोध लागला आणि सूक्ष्म पदार्थांच्या विज्ञानात क्रांती घडून आली. अनेक पदार्थांचे प्रयोग करून मोजलेले गुणधर्म तसे का आहेत, या सारख्या प्रश्नांची उत्तरे देणे सैद्धांतिक भौतिकशास्त्रास शक्य झाले. विद्युत-सुवाहकांमध्ये काही मुक्त इलेक्ट्रॉन असतात, जे कोणत्याही अणूस बांधील नसतात तर ते संपूर्ण वाहकात मुक्त संचार करू शकतात. या मुक्त इलेक्ट्रॉनमुळे पदार्थ सुवाहक बनतो. हे इलेक्ट्रॉन, वाहक विद्युतघटास जोडल्यावर ऋण टोकाकडून धन टोकाकडे जातात. यासच आपण विद्युतप्रवाह असे म्हणतो. हे मुक्त इलेक्ट्रॉन वाहकातून फिरत असताना ते वाहकाच्या अणूंवर किंवा बद्ध इलेक्ट्रॉनवर आदळतात. या टकरींमुळे त्यांची गती नष्ट होते आणि विद्युतप्रवाह किंचित कमी होतो. या परिणामास विद्युतरोध असे आपण म्हणतो. एखाद्या पदार्थात मुक्त इलेक्ट्रॉनची संख्या जितकी जास्त आणि टकरींचे प्रमाण जितके कमी तितका त्या पदार्थाचा रोध कमी. मात्र हा रोध वाहकाच्या इतर गुणधर्मांवर, तसेच भोवतालच्या परिस्थितीवर अवलंबून असतो. उदाहरणार्थ तापमान, दाब किंवा चुंबकीय क्षेत्र पदार्थाच्या विद्युतरोधात बदल घडवू शकतात.

चुंबकत्व किंवा चुंबकीय क्षेत्र हे एक स्वतंत्र क्षेत्र नसून गतिमान विद्युतभारित कणांमुळे चुंबकीय क्षेत्र निर्माण होते, हे भौतिकशास्त्रास फार पूर्वीपासून माहित होते. पुंज गतिकी शास्त्राने अणूंचे चुंबकीय गुणधर्म इलेक्ट्रॉनच्या गतीशी संबंधित असतात हे दाखवून दिले. या गुणधर्माचा अभ्यास करताना शास्त्रज्ञांच्या एक नवीन गोष्ट लक्षात आली. इलेक्ट्रॉन अणुकेंद्रकाभोवती फिरतातच, पण ते भासमान परिवलनही (स्पिन, स्वत:भोवती फिरणे) करीत असतात. भासमान म्हणजे असे, की इलेक्ट्रॉन प्रत्यक्ष परिवलन करीत नसतात, मात्र परिवलनामुळे निर्माण होणारे काही परिणाम (उदा. चुंबकीय) मात्र घडून येतात. ही परिवलन गती संपूर्णतया पुंज गतिकी शास्त्राचा शोध आहे.

पुंज गतिकीच्या नियमांप्रमाणे इलेक्ट्रॉनचे परिवलन फक्त दोनच दिशांना होऊ शकते. त्रिमिती अवकाशात आपण निरीक्षणाची एक दिशा (उदा. चुंबकीय क्षेत्राची दिशा) निश्चित केली की परिवलन त्या दिशेस अनुकूल अथवा प्रतिकूल दिशेतच असते. त्याचा कोनीय संवेगसुद्धा (अँग्युलर मोमेंटम) निश्चित असतो. थोडक्यात, इलेक्ट्रॉन ऊर्ध्व अथवा अधर या दोनच स्थितींमध्ये असू शकतो. कुठल्याही अचुंबकीय पदार्थामध्ये इलेक्ट्रॉन या दोन स्थितींमध्ये समान संख्येने असतात. त्यामुळे पदार्थाचे एकूण चुंबकीय क्षेत्र शून्य असते. चुंबकीय क्षेत्रामध्ये असे पदार्थ ठेवल्यास त्यांच्यात ही संख्या तात्पुरती असमान होऊन त्यांना चुंबकत्व प्राप्त होते. चुंबकीय क्षेत्राच्या बाहेर मात्र हे पदार्थ पूर्ववत होतात.

लोहासारख्या काही विशिष्ट पदार्थात मात्र चुंबकत्व टिकून रहाते. याचे कारण म्हणजे समान परिवलन दिशा असलेले इलेक्ट्रॉन एकत्र येऊन अंतर्गत संरचना (डोमेन्स) निर्माण करतात आणि त्यांच्यात बंध निर्माण होतात. यामुळे चुंबकीय क्षेत्र काढून घेतले तरी त्यांचे चुंबकत्व टिकून राहते. अशा पदार्थांना अतिचुंबकीय पदार्थ (फेरोमॅग्नेटिक सबस्टन्स) असे म्हटले जाते. चुंबकत्व निर्माण झालेल्या अशा पदार्थांमधून जेव्हा इलेक्ट्रॉन वहन होते, तेव्हा दोन भिन्न स्थितीतील इलेक्ट्रॉनची गती भिन्न असते. आधुनिक चुंबकीय रोध उपकरणे याच तत्त्वावर आधारलेली असतात.

नॅनो तंत्रज्ञान

विसाव्या शतकाच्या उत्तरार्धात नॅनो तंत्रज्ञान शाखेचा उदय झाला. पदार्थाचे जे गुणधर्म आपण नित्याच्या व्यवहारात पाहतो, त्यापैकी कित्येक गुणधर्म अतिसूक्ष्म स्तरावर पूर्णपणे बदलतात.