Эффект для спинтроники

Петер Грюнберг – один из «отцов» спинтроники.
Фото Reuters

Впервые за последние восемь лет в списке лауреатов Нобелевской премии-2007 по физике не нашлось места для ученых из США – премию поделили между собой поровну граждане Франции и Германии.

Альберт Ферт (1938 г.р.), из Университета Париж–Юг, Франция, и Петер Грюнберг (1939 г.р.) из Немецкого исследовательского центра, Джулих, Германия, получили ее за открытие так называемого гигантского магнитосопротивления (ГМС). Открытие этого феномена революционизировало технику считывания данных с жестких дисков. Оно также играет важную роль при создании магнитных сенсоров и электроники нового поколения. Такое использование ГМС считается первым применением методов нанотехнологии.

Впервые этот эффект был независимо и одновременно обнаружен Фертом и Грюнбергом почти 20 лет назад и заключался, грубо говоря, в том, что слоистый электропроводник, в котором, как в бутерброде, сверхтонкий слой немагнитного металла находится между двумя слоями ферромагнетиков, резко меняет свое электросопротивление под воздействием даже очень малых изменений в магнитном поле. Эффект совершенно революционный по последствиям, хотя справедливости ради следует вспомнить, что еще лорд Кельвин в 1857 году обнаружил изменение электрического сопротивления в магнитных материалах под воздействием магнитного поля. Но тот эффект был невелик, практического применения не нашел, а главное, имел совершенно другую физическую природу.

Когда ближе к концу ХХ века появилась возможность создавать металлические пленки толщиной в миллиардную долю метра, то есть всего в несколько атомов, в них стали проявляться квантовые эффекты, такие металлы стали демонстрировать совершенно новые и неожиданные качества. Одним из них и стал феномен ГМР.

В обычном проводнике электрический ток передается электронами – и чем прямее их путь, чем меньше они рассеиваются на загрязняющих примесях и нерегулярностях кристаллической решетки, тем ниже его электросопротивление. Если проводник состоит из тончайших слоев и магнитные поля в соседствующих слоях направлены в одну сторону, сопротивление такого проводника мало. Однако если эти магнитные поля направлены противоположно, рассеивание электронов за счет квантовых эффектов на границах слоев резко увеличивается, тем самым резко повышая сопротивление.

Тут все зависит от спина, квантовой характеристики электрона, которую, если отвлечься от ее «квантовости», можно было бы сравнить с магнитным полем – как у Земли. У подавляющего большинства электронов в таком проводнике спин направлен параллельно внешнему магнитному полю, у меньшинства – в обратную сторону. В одних ситуациях на границах слоев рассеиваются «антипараллельные» электроны, и тогда сопротивление мало, в других – «параллельные», и тогда сопротивление скачком повышается во много раз. В этом и состоит эффект ГМС, обнаруженный нынешними лауреатами в 1988 году.

Потрясающая чувствительность ГМС очень быстро была оценена по достоинству, и уже в 1997 году компания IBM создала первую считывающую головку, основанную на этом эффекте. Она обладала высокой чувствительностью к магнитному полю при малом геометрическом размере, что позволило сократить размер бита и, следовательно, значительно увеличить емкость носителей.

Сегодняшние компьютеры с их 400-гигабайтными и терабайтными жесткими дисками попросту невозможно представить себе без ГМС. Сейчас существуют считывающие ГМС-головки, работающие в жестких дисках с плотностью записи более 100 Гбайт/кв. дюйм.

Но, пожалуй, еще более важным следствием открытия нынешних нобелевских лауреатов можно считать целое направление, которое идет на замену микроэлектронике – науке под названием «спинтроника», в которой задействован не только заряд электрона, но и его спин. Именно ГМС создал спинтронику, именно до сих пор остается одним из краеугольных камней этой новой и очень многообещающей науки.

Это сегодняшние мобильники, MP3-плееры... Это и будущие ячейки памяти с феноменальной емкостью, и магнитные полупроводники, которые в отличие от существующих не теряют намагниченности (то есть записанной на них информации) при комнатной температуре. Это – совсем уже в перспективе – и квантовые компьютеры, оставаясь пока красивой фантазией, с каждым годом становятся фантазией все более и более реалистической.