НОБЕЛІВСЬКІ ПРЕМІЇ 2007 РОКУ
Кандидат фізико-математичних наук О. БАКЛИЦЬКИЙ.
Нобелівську премію 2007 року з фізики здобули фізики з Європи Альбер Фер (Albert Fert) і Петер Грюнберг (Peter Grunberg), які незалежно один від одного відкрили ефект гігантського магнетоопору (GMR — Giant Magnetoresistance). Це не перша нагорода вчених: за останні двадцять років їхні заслуги відзначили Фізичні товариства Америки та Європи, Міжнародна спілка з фізики та прикладної фізики, нагородили премією Японський фонд науки та технології та ізраїльський Фонд Вольфа. Відкриття стало важливим кроком у розвитку технології зберігання інформації. За надзвичайно короткий термін вдалося перейти від лабораторних зразків до промислового використання ефекту GMR в головках жорстких дисків, що зчитують, і надчутливих магнітних сенсорах. Проте, хоч би як було велике практичне значення відкриття, не можна не відзначити, що Нобелівська премія з фізики 2007 року — це насамперед тріумф фундаментальної науки.
Ми з вами — свідки дивовижних досягнень останніх років у галузі компактного зберігання інформації: розміри жорстких дисків зменшуються, а ємність збільшується та вимірюється вже терабайтами (тисячами мільярдів байт). Однак цей технологічний прогрес навряд чи був би можливим без тривалих фундаментальних досліджень магнітних та квантово-механічних властивостей матеріалів.
Наступний крок зробив англійський фізик Невілл Мотт, який отримав у 1977 році Нобелівську премію з фізики "за фундаментальні теоретичні дослідження електронної структури магнітних та невпорядкованих систем". У середині тридцятих років XX століття він звернув увагу колег на деякі аномалії перенесення електрики у феромагнетиках, що виникають через те, що електрон, крім заряду, має спини.
Концепція"Спин" увійшло у фізику більше вісімдесяти років тому. Спин - це власний момент обертання електрона (хоча, строго кажучи, ніякого обертання електрона немає), його важлива квантова властивість (докладніше див. "Наука і життя", № 11, 2003 р.). Зі спином пов'язаний і магнітний момент електрона, тому його поведінка в магнітному матеріалі залежить від напрямку спина. Більшість електронів шикуються так, що їх спин спрямований уздовж магнітного поля, але деяка частина електронів має протилежно спрямований спин. Відмінності у напрямі спинів можна використовуватиме отримання різноманітних магнітоелектричних ефектів. Однак до останнього часу електроніка, яка використовується в комп'ютерній та побутовій техніці, "експлуатувала" лише заряд електрона. Більше того, за словами ірландського фізика Майкла Коуї, традиційна електроніка ігнорувала спини. Цей відомий вислів отримав назву “леми Коуї”.
Ера спинової електроніки почалася в 1988 році, коли було відкрито гігантський магнетоопір (GMR) у багатошарових матеріалах з тонкими шарами феромагнітних і немагнітних металів, що чергуються. Товщина окремого шару становить лише кілька атомів. Опір таких зразків велике, якщо магнітні поля у феромагнетиках направлені в протилежні сторони, і мінімально, коли магнітні поля паралельні.
У чому причина цього? Електричний опір провідника тим вищий, чим частіше електрони, що тягнуть електричне поле, стикаються з перешкодами (неоднорідностями кристалічних ґрат, домішками) і відхиляються від прямого шляху. При цьому електрони з різноспрямованими спинами при зустрічі з перешкодами поводяться трохи по-різному. Одні з них, наприклад, ті, спини яких збігаються з напрямком магнітного поля, гальмуються в меншійступеня, а протилежно спрямовані - більшою. Які електрони матимуть перевагу, залежить від типу магнітного матеріалу, який спеціально вводять домішки інших речовин. Наприклад, якщо додати в нікель невелику кількість заліза або кобальту, електрони зі спином, спрямованим вниз, розсіюватимуться в 20 разів сильніше, ніж електрони, спин яких спрямований вгору.
Явище гігантського магнетоопору вдається спостерігати лише у дуже тонких плівках. При русі в товстих провідниках електрон встигає змінити напрямок спина під впливом різних причин. Причиною для відкриття ефекту GMR стали технології виготовлення найтонших (нанометрових) шарів металу, які у сімдесяті роки ХХ століття. Отже, GMR-технологію можна розглядати як одне з перших застосувань популярних сьогодні нанотехнологій.
Новий науково-технологічний напрямок, що використовує спінові ефекти, отримав назву "спінтроніка". Було розроблено спінові клапани та магнітні тунельні переходи, які дозволили на порядки збільшити щільність запису інформації.
МАГНЕТОСОПРОТИВ І ЗБЕРІГАННЯ ІНФОРМАЦІЇ
У жорстких дисках інформація накопичується як щільно упакованих крихітних областей, намагнічених по-різному. Один напрямок намагніченості відповідає логічному "0", інший - "1". Щоб обробити інформацію, записувальна/зчитувальна головка сканує жорсткий диск. У гонитві за його мініатюризацією вченим та інженерам доводиться зменшувати розміри магнітних областей. Це означає, що магнітне поле над поверхнею ділянки, що зберігає один біт інформації, стає слабкішим і його складніше зчитувати. І отже, для такого щільно упакованого жорсткого диска потрібна більш чутлива техніка, що зчитує.Спочатку для цього використовувалися котушки індуктивності, і вони досі відіграють важливу роль при записі інформації на диск. А ось для її зчитування найкраще підходять магніторезистивні сенсори.
Донедавна для зчитування інформації з жорсткого диска використовувалися головки із сенсорами з магніторезистивних матеріалів, заснованих на ефект анізотропії, виявленому лордом Кельвіном. Відкриття гігантського магнетоопору стало надзвичайно важливим кроком у підвищенні магнітної чутливості сенсорів.
Як приклад пристрою, який використовує ефект GMR, розглянемо роботу спинового клапана. У ньому шар немагнітного металу (хром, мідь) прокладено між двома шарами феромагнетика (заліза, кобальту, нікелю). Перший шар феромагнетика називається фіксуючим, тому що магнітне поле в ньому закріплює щільно прилеглий шар антиферомагнетика. За провідним немагнітним шаром слід чутливий феромагнітний шар. Магнітне поле фіксуючого феромагнетика спрямоване завжди в один бік, а чутливого
- Визначається зовнішнім магнітним полем. Якщо обидва ці шари намагнічені в одному напрямку, більша частина електронів матиме паралельні спини і легко проскочить через сендвіч. Тобто зразок матиме низький опір. Якщо магнітні поля у феромагнітних шарів направлені в протилежні сторони, всі електрони матимуть антипаралельні спини в одному з феромагнітних шарів, які більшою мірою розсіюються. Їхній рух буде утруднений, а опір зразка виявиться високим.
Такий спиновий клапан поміщають в головку, що зчитує, скануючу жорсткий диск. У нього фіксована намагніченість першого феромагнітного шару, а намагніченість другого феромагнітного шару змінюється за змінимагнітного поля жорсткого диска При паралельній намагніченості двох шарів опір зразка низький, і навпаки. Цей стрибок опору дозволяє з високою точністю розрізняти два стани намагніченості системи, яким приписують логічний "0" та "1".
ВКЛАД АЛЬБЕРА ФЕРА І ПЕТЕРА ГРЮНБЕРГА
Альбер Фер з колегами досліджував систему з кількох десятків шарів заліза і хрому, що чергуються. Щоб отримати належний ефект, вчені проводили експерименти за умов майже повного вакууму за низької температури. Група Петера Грюнберга працювала з більш простою системою, що складається з двох або трьох шарів заліза, прокладених шаром хрому.
Але для широкого застосування нової технології потрібно розробити промисловий процес отримання найтонших верств. Метод, який використовували і Грюнберг і Фер, був досить складним і дорогим. Він більше підходив для лабораторних досліджень, а чи не для великомасштабних промислових розробок. Втілити фундаментальні розробки допомогли роботи англійця Стюарта Паркіна (Stuart Parkin). Він показав, що для виготовлення тонкошарових магнітних сендвічів можна використовувати технологію магнетронного розпилення, причому при кімнатній температурі. І з 1997 року розпочалося виробництво GMR-головок, які дозволили багаторазово збільшити ємність жорстких дисків.
МАГНІТНА ОПЕРАТИВНА ПАМ'ЯТЬ (MRAM) - ЩЕ ОДИН КРОК ВПЕРЕД
Використовуючи явище магнітного тунельного переходу (MTJ – Magnetic Tunnel Junction), вчені створили ще один спиновий клапан, в якому закріплений та вільний магнітні шари розділені шаром тонкого ізолятора. Електричний струм не проходить через ізолятор. Однак якщо ізолюючий шар досить тонкий, електрони здатні просочуватися через бар'єр. Цей квантово-механічний ефект називається тунелюванням. Великий магнетоопір у магнітних тунельних переходах спостерігали при кімнатних температурах 1995 року кілька дослідників. Магнітний тунельний перехід вже застосовується в головках, що зчитують, нового покоління.
На використанні MTJ-ефекту засновано ще одну революційну технологію — магнітну оперативну пам'ять MRAM (Magnetic Random Access Memory). Це швидкодіюча пам'ять з низьким електроспоживанням, високою швидкодією та високою щільністю запису. Оскільки робота MRAM залежить від намагніченості феромагнітного шару, її вміст не зникає при відключенні електроживлення.
Більше того, на відміну від звичайної динамічної пам'яті (DRAM) та феромагнітної (FRAM) на роботу MRAM не впливає іонізуюче випромінювання. Тому її можна з успіхом використовувати у космічній техніці.
Що ж до сумарної величини магниторезистивного ефекту, що використовується практично, вона досягає кількох десятків відсотків, хоча магнітне полі над жорстким диском лише у 10—20 разів перевищує невелике магнітне полі Землі. У цьому сучасний біт інформації має буквально нанометровий розмір. Експериментуючи із шарами зразків, вчені змогли довести величину магнетоопору до сотень відсотків та обіцяють збільшити її ще на порядок.
Фундаментальні дослідження магнітних явищ тривають: за гігантським магнетоопіром було відкрито колосальний магнетоопір, що виникає в перовскітах (наприклад, LaMnO3) в дуже сильних магнітних полях. Потім виявили ефект екстраординарного магнетоопору, заснований на зміні орбітального руху електронів у магнітному полі.
Відкриття гігантського магнетоопору та розвиток спинтроніки.чудовий приклад, коли фундаментальна наука та нова технологія переплітаються та зміцнюють одна одну. Можливість працювати з тонкими плівками, завтовшки кілька атомів, з'явилася завдяки розвитку нанотехнологічних методів. Тепер подальше вивчення GMR-ефекту сприяє прогресу нанотехнологій.
П'ЯТЬ ЕФЕКТІВ ФІЗИКИ МАГНІТНИХ ЯВ
Слід зазначити, що у фізиці магнітних явищ можна нарахувати лише п'ять груп ефектів, подібних до явища гігантського магнетоопору. Ці ефекти або вже використовуються, або близькі до застосування.
По-перше, магнітооптичні ефекти (Керра, Фарадея), що призводять до повороту площини поляризації променя світла, що проходить через магнітну речовину або відбитого від нього.
По-друге, ефект магнітокристалографічної анізотропії, що призводить до залежності магнітних властивостей тіла від напрямку прикладеного магнітного поля, як наслідок впливу кристалічного поля зразка.
По-третє, явище гігантської магнітострикції - істотна зміна об'єму та лінійних розмірів тіла при намагнічуванні.
По-четверте, обговорюваний вище ефект гігантського магнетоопору.
І, по-п'яте, магнітокалоричний ефект, який полягає у зміні температури магнітного матеріалу при його намагнічуванні або розмагнічуванні у зовнішньому магнітному полі в адіабатичних умовах (за відсутності теплового обміну з навколишнім середовищем).
Зокрема, магнітооптичний ефект використовується під час виробництва магнітооптичних дисків. Ефект магнітної анізотропії застосовують для створення висококоерцитивних постійних магнітів, таких, наприклад, як неодим-залізо-бор (NdFeB), щорічний випуск яких становить 40-50 тис. Тонн.
На мою думку, одним з найближчих поКомерційним потенціалом до GMR-ефекту є гігантський магнітокалорічний ефект (GMCE). GMCE, як і GMR-ефект, було відкрито близько 18 років тому і запатентовано групою професорів та співробітників нашої кафедри (С. А. Нікітін, Г. М. Мялікгулиєв, А. М. Тишин та ін., Авторське свідоцтво SU 1746162 A1, 1990). GMCE досягає значення -7 К/Тл у сплавах FeRh. Сьогодні у світі створено близько тридцяти прототипів магнітних холодильників для кімнатних температур, у більшості з яких використовуються робочі тіла, запропоновані нами. Створені пристрої демонструють дуже високу ефективність магнітного охолодження - до 60% від циклу Карно (теоретично вона може досягати 80-90% від циклу Карно, а в сучасних побутових фреонових холодильниках - на рівні 10-13%!). Оскільки робочі тіла в магнітних холодильниках — твердотільні магнітні матеріали, такі холодильники будуть компактними і екологічно чистими, адже в них відсутній фреон.