De Nobelprijs Natuurkunde 2007 gaat naar een ouderwets onverwachte Eureka-ontdekking. Toen de Franse natuurkundige Albert Fert in 1988 de invloed onderzocht van magneetvelden op de elektrische stroom in een nieuwe klasse gelaagde materialen, verwachtte hij een effect van een procentje of zo. In plaats daarvan sloegen de meters uit naar 50 procent. Van zijn onderzoeksleider moest Fert zijn complete opstelling afbreken en opnieuw opbouwen, om een blunder uit te sluiten, maar het effect ging niet weg. Het kreeg de naam 'Giant Magnetoresistance' (GMR), en leidde tot een compleet nieuw vakgebied in de natuurkunde, en tot veel compactere harde schijven. "Ik kan me herinneren dat Albert Fert het tijdens de lunch op een servetje liet zien", zegt Wim de Jonge, emeritus hoogleraar fysica van nanosystemen aan de TU Eindhoven, "we begrepen er helemaal niets van." De Jonge werkte samen met Fert van de Université Paris-Sud in Orsay en zijn collega Peter Grünberg uit het Duitse Jülich. Grünberg ontdekte het GMR-effect nog iets eerder dan Fert, en krijgt de helft van de Nobelprijs, maakte het Nobelcomité vandaag bekend in Stockholm. "Fert, die meer theoretisch onderlegd is, heeft het effect later ook verklaard", zegt De Jonge, "hij is ook nu nog een leidende onderzoeker in het gebied." Grünberg, die patent op de ontdekking aanvroeg en daar goed aan verdiende, is inmiddels met emeritaat. Fert en Grünberg deden in de jaren tachtig onderzoek naar sandwiches van laagjes ijzer en chroom van enkele atomen dik, die dankzij nieuwe fabricagetechnieken voor het eerst netjes te stapelen waren. IJzer is ferromagnetisch, wat betekent dat er altijd een lokaal magneetveldje in heerst. (In een ijzeren magneet staan de magneetveldjes in de ijzerkristalletjes bovendien dezelfde kant op, zodat al die velden bij elkaar optellen en je er ook echt wat van merkt). Chroom is een gewoon, niet-magnetisch metaal. Je kunt er geen koelkastmagneetje op vastplakken. Beide metalen geleiden elektrische stroom. Elektronen kunnen er doorheen bewegen, maar niet helemaal ongestoord. Ze stuiteren onderweg wel eens een andere kant op, waardoor de elektronenstroom een beetje weerstand ondervindt. De grootte van die weerstand is mede afhankelijk van de richting van het lokale magneetveld. Elektronen hebben zelf namelijk een klein eigen magneetveldje, 'spin' genaamd. Elektronen met een spin tegengesteld aan het magneetveld in een ijzerlaagje stuiteren net iets vaker weg dan elektronen met een spin in dezelfde richting. Omdat normaal gesproken beide soorten elektronen meedoen, remt een magneetveld de stroom altijd een heel klein beetje extra af. Dit is het gewone magnetoweerstand-effect, dat al sinds de negentiende eeuw bekend is. De reuzenversie GMR is een enorme versterking van die gevoeligheid, doordat de magneetvelden in naburige ijzerlaagjes elkaar sterk beïnvloeden. Normaal gesproken wisselen de magneetvelden in de ijzerlaagjes elkaar af: op-neer-op-neer. Maar een heel klein extern magneetveldje, bijvoorbeeld dat van een bit op een harde schijf, kan het subtiele evenwicht tussen de buren al verstoren. Dan klappen de magneetvelden in de laagjes allemaal dezelfde kant op: op-op-op-op. Voor elektronen die door de laagjes reizen maakt het verschil erg veel uit: in het op-neer-op-neer geval lopen ze, wat hun spin ook is, óm het andere laagje extra weerstand op. Vergelijk het met twee stromen hordenlopers, voor wie die horden afwisselend links en rechts op de baan zijn gezet. Maar in het op-op-op-geval kunnen elektronen met spin omhoog doorzeilen zonder ergens extra afgeremd te worden, alsof alle horden rechts staan, en de linkse stroom hordenlopers zomaar door kan rennen. Dus is de elektrische weerstand dus veel lager, ook al is de verandering in het externe veld maar klein. Daarmee wordt de sandwich een gevoelige detector. Na de ontdekking van Fert en Grünberg stortte de natuurkunde zich op het GMR (hoewel oorspronkelijke deelnemer Philips zich juist terugtrok uit het vakgebied). Onderzoeker Stuart Parking van IBM's Almaden Research Center in het Californische San Jose werkte aan het optimaliseren en goedkoper maken van de laagjes, zodat ze ook daadwerkelijk gebruikt konden worden als afleeskop voor harde schijven. Het GMR-effect werd een schoolvoorbeeld van een fundamenteel wetenschappelijke ontdekking waar ook al snel geld mee verdiend werd. Door de gevoeligheid van GMR-sensoren konden de bits op harde schijven een stuk kleiner worden, waardoor de capaciteit van harde schijven is gegroeid tot terabytes. Ook staat het GMR-effect aan de wieg van de 'spintronica', een nieuwe gedaante van elektronica waarbij de elektronenspins volop meedoen in de manipulaties. Dit vakgebied, dat sinds vandaag weer wat hipper is geworden, belooft extreem snel herconfigureerbare, goedkope computerchips, die hun gegevens bovendien onthouden als de stroom uitgaat. Nog verder aan de horizon liggen ongekend snelle spintronische quantumcomputers, maar de eerste echte spintronica-toepassing, snelle en grote geheugenkaartjes met de naam Magnetische Random Access Memory (MRAM) liggen nu al in de winkel. In 1997 ontving IBM-onderzoeker Stuart Parking samen met de Fert en Grünberg de prestigieuze Europhysics-prijs, maar voor de hoogste wetenschappelijke eer was het blijkbaar net niet genoeg. "Het is niet onverwacht gekomen, ook voor de heren zelf niet, geloof ik", e-mailt TU Delft-onderzoeker Gerrit Bauer over de Nobelprijstoekenning aan Fert en Grünberg, maar: "Het is een beetje sneu voor Stuart Parking." Bruno van Wayenburg