НОБЕЛЕВСКИЕ ПРЕМИИ 2007 ГОДА. ГИГАНТСКОЕ МАГНЕТОСОПРОТИВЛЕНИЕ - ТРИУМФ ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ НАУКИ

Нобелевскую премию 2007 года по физике получили физики из Европы Альбер Фер (Albert Fert) и Петер Грюнберг (Peter Grunberg), независимо друг от друга открывшие эффект гигантского магнетосопротивления (GMR — Giant Magnetoresistance). Это не первая награда ученых: за последние двадцать лет их заслуги отметили Физические общества Америки и Европы, Международный союз по физике и прикладной физике, наградили премией Японский фонд науки и технологии и израильский Фонд Вольфа. Открытие стало важным шагом в развитии технологии хранения информации. За необычайно короткий срок удалось перейти от лабораторных образцов к промышленному использованию эффекта GMR в считывающих головках жестких дисков и сверхчувствительных магнитных сенсорах. Однако, как бы ни было велико практическое значение открытия, нельзя не отметить, что Нобелевская премия по физике 2007 года — это прежде всего триумф фундаментальной науки.

Мы с вами — свидетели удивительных достижений последних лет в области компактного хранения информации: размеры жестких дисков уменьшаются, а емкость увеличивается и измеряется уже терабайтами (тысячами миллиардов байт). Однако этот технологический прогресс вряд ли был бы возможен без продолжительных фундаментальных исследований магнитных и квантово-механических свойств материалов.

Еще 150 лет назад британский физик Уильям Томпсон (лорд Кельвин) начал изучать влияние магнитного поля на электрическое сопротивление материалов. В 1857 году он опубликовал статью, в которой описал, как изменяется сопротивление железа в зависимости от направления магнитного поля. Оказалось, что, если пропускать электрический ток вдоль магнитного поля, сопротивление возрастает, а если поперек — уменьшается. Это явление получило название анизотропного магнетосопротивления. На его основе созданы широко используемые на практике магниторезистивные материалы, в частности пермаллой — сплав железа и никеля.

Следующий шаг сделал английский физик Невилл Мотт, получивший в 1977 году Нобелевскую премию по физике “за фундаментальные теоретические исследования электронной структуры магнитных и неупорядоченных систем”. В середине тридцатых годов XX века он обратил внимание коллег на некоторые аномалии переноса электричества в ферромагнетиках, возникающие из-за того, что у электрона, помимо заряда, есть спин.

Понятие “спин” вошло в физику более восьмидесяти лет назад. Спин — это собственный момент вращения электрона (хотя, строго говоря, никакого вращения у электрона нет), его важное квантовое свойство (подробнее см. “Наука и жизнь”, № 11, 2003 г.). Со спином связан и магнитный момент электрона, поэтому его поведение в магнитном материале зависит от направления спина. Большинство электронов выстраиваются так, что их спин направлен вдоль магнитного поля, но некоторая часть электронов имеет противоположно направленный спин. Различия в направлении спинов можно использовать для получения разнообразных магнитоэлектрических эффектов. Однако до последнего времени электроника, используемая в компьютерной и бытовой технике, “эксплуатировала” только заряд электрона. Более того, по словам ирландского физика Майкла Коуи, традиционная электроника игнорировала спин. Это известное высказывание получило название “леммы Коуи”.

Эра спиновой электроники началась в 1988 году, когда было открыто гигантское магнетосопротивление (GMR) в многослойных материалах с чередующимися тонкими слоями ферромагнитных и немагнитных металлов. Толщина отдельного слоя составляет всего несколько атомов. Сопротивление таких образцов велико, если магнитные поля в ферромагнетиках направлены в противоположные стороны, и минимально, когда магнитные поля параллельны.

В чем причина этого эффекта? Электрическое сопротивление проводника тем выше, чем чаще электроны, влекомые электрическим полем, сталкиваются с препятствиями (неоднородностями кристаллической решетки, примесями) и отклоняются от прямого пути. При этом электроны с разнонаправленными спинами при встрече с препятствиями ведут себя немного по-разному. Одни из них, например, те, спины которых совпадают с направлением магнитного поля, тормозятся в меньшей степени, а противоположно направленные — в большей. Какие электроны будут иметь преимущество, зависит от типа магнитного материала, в который специально вводят примеси других веществ. Например, если добавить в никель небольшое количество железа или кобальта, электроны со спином, направленным вниз, будут рассеиваться в 20 раз сильнее, чем электроны, спин которых направлен вверх.

Явление гигантского магнетосопротивления удается наблюдать только в очень тонких пленках. При движении в толстых проводниках электрон успевает сменить направление спина под влиянием разных причин. Предпосылкой к открытию эффекта GMR стали технологии для изготовления тончайших (нанометровых) слоев металла, появившиеся в семидесятые годы XX века. Так что GMR-технологию можно рассматривать как одно из первых применений популярных сегодня нанотехнологий.

Новое научно-технологическое направление, использующее спиновые эффекты, получило название “спинтроника”. Были разработаны спиновые клапаны и магнитные туннельные переходы, которые позволили на порядки увеличить плотность записи информации.

МАГНЕТОСОПРОТИВЛЕНИЕ И ХРАНЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ

В жестких дисках информация накапливается в виде плотно упакованных крошечных областей, намагниченных по-разному. Одно направление намагниченности соответствует логическому “0”, другое — “1”. Для того чтобы обработать информацию, записывающая/считывающая головка сканирует жесткий диск. В погоне за его миниатюризацией ученым и инженерам приходится уменьшать размеры магнитных областей. Это означает, что магнитное поле над поверхностью участка, хранящего один бит информации, становится слабее и его сложнее считывать. И следовательно, для такого плотно упакованного жесткого диска требуется более чувствительная считывающая техника. Первоначально для этих целей использовались катушки индуктивности, и они до сих пор играют важную роль при записи информации на диск. А вот для ее считывания лучше подходят магниторезистивные сенсоры.

До недавнего времени для считывания информации с жесткого диска использовались головки с сенсорами из магниторезистивных материалов, основанных на эффекте анизотропии, обнаруженном лордом Кельвином. Открытие гигантского магнетосопротивления стало чрезвычайно важным шагом в повышении магнитной чувствительности сенсоров.

В качестве примера устройства, использующего эффект GMR, рассмотрим работу спинового клапана. В нем слой немагнитного металла (хром, медь) проложен между двумя слоями ферромагнетика (железа, кобальта, никеля). Первый слой ферромагнетика называется фиксирующим, потому что магнитное поле в нем закрепляет плотно прилегающий слой антиферромагнетика. За проводящим немагнитным слоем следует чувствительный ферромагнитный слой. Магнитное поле фиксирующего ферромагнетика направлено всегда в одну сторону, а чувствительного

— определяется внешним магнитным полем. Если оба этих слоя намагничены в одном направлении, большая часть электронов будет иметь параллельные спины и легко проскочит через “сэндвич”. То есть у образца будет низкое сопротивление. Если магнитные поля у ферромагнитных слоев направлены в противоположные стороны, все электроны будут иметь антипараллельные спины в одном из ферромагнитных слоев, которые рассеиваются в большей степени. Их движение будет затруднено, а сопротивление образца окажется высоким.

Такой спиновый клапан помещают в считывающую головку, сканирующую жесткий диск. У него фиксирована намагниченность первого ферромагнитного слоя, а намагниченность второго ферромагнитного слоя изменяется при изменении магнитного поля жесткого диска. При параллельной намагниченности двух слоев сопротивление образца низкое, и наоборот. Этот скачок сопротивления позволяет с высокой точностью различать два состояния намагниченности системы, которым приписывают логический “0” и “1”.

ВКЛАД АЛЬБЕРА ФЕРА И ПЕТЕРА ГРЮНБЕРГА

Альбер Фер с коллегами исследовал систему из нескольких десятков чередующихся слоев железа и хрома. Чтобы получить должный эффект, ученые проводили эксперименты в условиях почти полного вакуума при низкой температуре. Группа Петера Грюнберга работала с более простой системой, состоящей из двух или трех слоев железа, проложенных слоем хрома.

Фер обнаружил, что электрическое сопротивление пленок уменьшается на 50%, когда относительная намагниченность ферромагнитных слоев изменяется от антипараллельной до параллельной конфигурации при наложении внешнего магнитного поля в условиях низких температур. У Грюнберга показатели меньше — всего 1,5%, но при комнатной температуре (эта цифра выросла до 10% при температуре 5К). Физическая природа эффекта, который наблюдали независимо обе группы ученых, оказалась одинаковой. Ученые констатировали, что наблюдали совершенно новое явление. Альбер Фер был одним из тех, кто предложил теоретическое объяснение гигантского магнетосопротивления и в своей первой публикации 1988 года указал, что открытие может иметь большое значение для практики. Петер Грюнберг также отметил практический потенциал явления и одновременно с публикацией своих научных исследований в 1989 году предусмотрительно оформил патенты в Германии, Европе и США.

Но для широкого применения новой технологии требовалось разработать промышленный процесс получения тончайших слоев. Метод, который использовали и Грюнберг, и Фер, был достаточно сложным и дорогим. Он больше подходил для лабораторных исследований, а не для крупномасштабных промышленных разработок. Воплотить фундаментальные разработки в жизнь помогли работы англичанина Стюарта Паркина (Stuart Parkin). Он показал, что для изготовления тонкослойных магнитных “сэндвичей” можно использовать технологию магнетронного распыления, причем при комнатной температуре. И с 1997 года началось производство GMR-головок, которые позволили многократно увеличить емкость жестких дисков.

МАГНИТНАЯ ОПЕРАТИВНАЯ ПАМЯТЬ (MRAM) - ЕЩЕ ОДИН ШАГ ВПЕРЕД

Используя явление магнитного туннельного перехода (MTJ — Magnetic Tunnel Junction), ученые создали еще один спиновый клапан, в котором закрепленный и свободный магнитные слои разделены слоем тонкого изолятора. Электрический ток не проходит через изолятор. Однако если изолирующий слой достаточно тонкий, то электроны способны просачиваться через барьер. Этот квантово-механический эффект называется туннелированием. Большое магнетосопротивление в магнитных туннельных переходах наблюдали при комнатных температурах в 1995 году несколько исследователей. Магнитный туннельный переход уже применяется в считывающих головках новейшего поколения.

На использовании MTJ-эффекта основана еще одна революционная технология — магнитная оперативная память MRAM (Magnetic Random Access Memory). Это быстродействующая память с низким электропотреблением, высоким быстродействием и высокой плотностью записи. Поскольку работа MRAM зависит от намагниченности ферромагнитного слоя, то ее содержимое не исчезает при отключении электропитания.

Более того, в отличие от обычной динамической памяти (DRAM) и ферромагнитной (FRAM) на работу MRAM не влияет ионизирующее излучение. Поэтому ее можно с успехом использовать в космической технике.

Что касается суммарной величины магниторезистивного эффекта, который используется на практике, то она достигает нескольких десятков процентов, хотя магнитное поле над жестким диском всего в 10—20 раз превосходит небольшое магнитное поле Земли. При этом современный бит информации имеет буквально нанометровый размер. Экспериментируя со слоями образцов, ученые смогли довести величину магнетосопротивления до сотен процентов и обещают увеличить ее еще на порядок.

Фундаментальные исследования магнитных явлений продолжаются: вслед за гигантским магнетосопротивлением было открыто колоссальное магнетосопротивление, которое возникает в перовскитах (например, LaMnO₃) в очень сильных магнитных полях. Затем обнаружили эффект экстраординарного магнетосопротивления, основанный на изменении орбитального движения электронов в магнитном поле.

Открытие гигантского магнетосопротивления и развитие спинтроники — отличный пример, когда фундаментальная наука и новая технология переплетаются и укрепляют одна другую. Возможность работать с тонкими пленками, толщиной в несколько атомов, появилась благодаря развитию нанотехнологических методов. Теперь же дальнейшее изучение GMR-эффекта способствует прогрессу нанотехнологий.

КОММЕНТАРИЙ

ПЯТЬ ЭФФЕКТОВ ФИЗИКИ МАГНИТНЫХ ЯВЛЕНИЙ

Прокомментировать выдающееся событие в области магнетизма — награждение Нобелевской премией по физике исследователей, открывших явление гигантского магнетосопротивления, — мы попросили вице-президента Магнитного общества России профессора кафедры общей физики и магнитоупорядоченных сред физического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова, доктора физико-математических наук Александра Метталиновича ТИШИНА.

Надо отметить, что в физике магнитных явлений можно насчитать всего пять групп эффектов, подобных явлению гигантского магнетосопротивления. Эти эффекты либо уже широко используются, либо близки к применению.

Во-первых, магнитооптические эффекты (Керра, Фарадея), приводящие к повороту плоскости поляризации луча света, проходящего через магнитное вещество или отраженного от него.

Во-вторых, эффект магнитокристаллографической анизотропии, приводящий к зависимости магнитных свойств тела от направления приложенного магнитного поля, как следствие воздействия кристаллического поля образца.

В-третьих, явление гигантской магнитострикции — существенное изменение объема и линейных размеров тела при намагничивании.

В-четвертых, обсуждаемый выше эффект гигантского магнетосопротивления.

И, в-пятых, магнитокалорический эффект, который заключается в изменении температуры магнитного материала при его намагничивании или размагничивании во внешнем магнитном поле в адиабатических условиях (при отсутствии теплового обмена с окружающей средой).

В частности, магнитооптический эффект используется при производстве магнитооптических дисков. Эффект магнитной анизотропии применяют для создания высококоэрцитивных постоянных магнитов, таких, например, как неодим-железо-бор (NdFeB), ежегодный выпуск которых составляет 40—50 тыс. тонн.

Безусловно, большинство из этих явлений были известны более ста лет назад. Но эффект гигантского магнетосопротивления, который нашел наиболее широкое практическое применение (большинство жестких дисков компьютеров содержат спиновые клапаны), занимает особое место среди них. В этом смысле его можно сравнить только с явлением магнитной анизотропии, ведь постоянные магниты используются повсюду — от мобильных телефонов и компьютеров до автомобилей. В последнем вы можете найти от 30 до 70 узлов (в зависимости от комплектации), в которых установлены постоянные магниты.

По моему мнению, одним из наиболее близких по коммерческому потенциалу к GMR-эффек-ту является гигантский магнитокалорический эффект (GMCE). GMCE, как и GMR-эффект, был открыт около 18 лет назад и запатентован группой профессоров и сотрудников нашей кафедры (С. А. Никитин, Г. М. Мяликгулыев, А. М. Тишин и др., Авторское свидетельство SU 1746162 A1, 1990). GMCE достигает значения -7 К/Тл в сплавах FeRh. Сегодня в мире создано около тридцати прототипов магнитных холодильников для области комнатных температур, в большинстве из которых используются рабочие тела, предложенные нами. Созданные устройства демонстрируют крайне высокую эффективность магнитного охлаждения — до 60% от цикла Карно (теоретически она может достигать 80—90 % от цикла Карно, а в современных бытовых фреоновых холодильниках — на уровне 10—13%!). Поскольку рабочие тела в магнитных холодильниках — твердотельные магнитные материалы, то такие холодильники будут компактными и экологически чистыми, ведь в них отсутствует фреон.

(Более подробная информация об GMCE — в книге A. M. Tishin, Y.I. Spichkin. The Magnetocaloric Effect and Its Applications. Institute of Physics Publishing, Ltd., Bristol & Philadelphia, 2003, 475 p.)