/ / / / / /
Автор - обозреватель журнала "Химия и жизнь", специально для "Итогов"
Спустя несколько лет после открытия инженеры создали жесткий диск высокой плотности записи, которую обеспечивала головка с гигантским магнетосопротивлением. С тех пор этот эффект воплотился в миллионах головок жестких дисков, без которых невозможно себе представить ни один современный компьютер, плеер, видеокамеру и многие другие устройства информационной эры. Впрочем, по мнению самого Фера, главный результат открытия состоит вовсе не в упомянутых миллионах. Он претендует на большее - на первенство в новой области научного знания. Поверим ему: однажды он уже оказался прав.
Тогда, в 80-х, на открытие ученых очень быстро обратили внимание инженеры из исследовательского центра IBM. Еще бы: до этого человечество много лет пыталось использовать эффект магнетосопротивления. В конце XX века ему нашли применение: стали использовать для считывания информации, закодированной на носителе с помощью магнитного поля последовательностью нулей и единиц. Ее задают, намагничивая отдельные участки на ленте или диске. Чем меньше размер такого элемента, тем больше информации поместится на носителе. Но в то же время тем чувствительнее должна быть считывающая головка. Увы, обычное магнетосопротивление очень слабое, рассчитывать на особо высокую плотность записи при его использовании не приходилось. Многие старались создать материал, в котором эффект проявлялся бы ярко. Энтузиасты от науки хотели, чтобы сопротивление менялось в магнитном поле хотя бы на десять процентов, но, увы, никому не удалось добиться результатов больших, чем 2-3 процента. Возникло даже мнение, что оптимум уже найден и ни на что лучшее рассчитывать не приходится. Тут и подоспело открытие Фера и Грюнберга. Обнаруженный ими эффект назвали гигантским магнетосопротивлением. Ведь в многослойных материалах сопротивление в магнитном поле падало на десятки процентов - об этом раньше можно было только мечтать.
В 1988 году в Париже проходила международная конференция по проблемам магнетизма. Посетив ее, Фер встретился со своим немецким коллегой и узнал, что тот открыл схожий эффект. Грюнберг работал с трехслойным "сэндвичем", в котором слой хрома заключен между двумя слоями железа. Пообщавшись, исследователи убедились, что имеют дело с одним и тем же явлением. Независимо друг от друга они решили опубликовать две статьи, каждый свою, в журналах Physical Review Letters и Physical Review B. Грюнберг направил свой опус в журнал в мае 1988 года, после чего рецензент сделал ему замечания. Новая публикация с исправлениями появилась только в марте 1989 года. А Фер с коллегами отправил свою статью в августе, и она увидела свет в ноябре. Видимо, Нобелевский комитет не смог разобраться с приоритетами и счел за лучшее присудить премию обоим исследователям.
Исследователь опубликовал свою статью в 1986 году. Если бы Майкржаку пришла в голову мысль проверить электрические свойства такой структуры, то самая престижная научная премия сегодня могла достаться ему. Между тем физики продолжали работать. В том же 1986 году ученые из группы Грюнберга заметили аналогичный эффект в многослойных пленках из железа и хрома. Подобную работу на многослойных пленках тогда же провел Фер с коллегами. Как оказалось, критическая толщина прослоек хрома равна трем нанометрам: намагниченность соседних слоев железа, сближенных на меньшее расстояние, была направлена в противоположные стороны. Видимо, у Фера сразу же возникло подозрение, что в таких сверхтонких слоях как-то должна проявиться обнаруженная им в семидесятых зависимость сопротивления от спина электрона. Он стал измерять сопротивление железо-хромового "пирога" в различных магнитных полях и получил неожиданный результат. В пленке, которая состояла из 60 слоев, причем толщина прослоек хрома была меньше одного нанометра - всего в три-четыре атома толщиной, сопротивление падало в два раза! Правда, это происходило при температуре жидкого гелия. При комнатной же температуре эффект уменьшался вдвое, однако по-прежнему оставался значительным. Объяснение было предложено такое. Когда слои железа намагничены в противоположных направлениях, электроны с обоими спинами испытывают равное большое сопротивление, потому что попадают то в слой с одними условиями, то в прослойку с другими. Однако если "бутерброд" поместить в магнитное поле, все его слои удастся намагнитить в одном направлении. И электроны с соответствующим спином получат преимущество, не испытывая особых затруднений при перемещении из одного слоя в другой. Поэтому сопротивление снизится.
В частности, появились установки, с помощью которых можно было на полупроводниковой подложке выращивать очень тонкие, толщиной в несколько атомов, пленки, причем делать их многослойными. Естественно, специалисты тех научных лабораторий, которые могли позволить себе купить подобную установку для напыления, стали изучать свойства этой новой разновидности многослойных материалов. Так, Чак Майкржак из Брукхейвенской национальной лаборатории (США) в 1985 году (спустя два года после работы в том же институте, что и Грюнберг) заметил в "пироге", построенном из двух элементов - ферромагнитного гадолиния и немагнитного иттрия, - интересное явление. Когда слой иттрия был толстым, то у всех прослоек гадолиния "магнитные стрелки" выстраивались в одну и ту же сторону, то есть были параллельны. А в "пирогах", где прослойки иттрия были тонкими, направления намагниченности гадолиния чередовались - были антипараллельны.
История с зависимостью сопротивления от спина электрона получила продолжение в конце 80-х. К этому времени немалый рывок вперед сделала микроэлектроника.
Со спинами электронов связано и такое интересное явление, как ферромагнетизм - способность материала становиться магнитом. Суть его в том, что в некоторых металлах, например железе, никеле, кобальте и гадолинии, электроны с одним направлением спина могут объединить усилия и превратить тот атом, которому они принадлежат, в элементарный магнит. Если представить такой атом в виде магнитной стрелки, она будет указывать туда же, куда и спины создавших ее электронов. И если в расположении всех таких магнитов внутри куска железа навести порядок, то их "магнитные стрелки" будут смотреть в одну и ту же сторону: этот кусок станет магнитом. Так вот, изучая магнитное железо с небольшими добавками немагнитного хрома, Альбер Фер заметил, что электроны в таком веществе не одинаковы: электрическое сопротивление одних значительно больше, чем других, причем разница достигает шестикратной величины! А различались эти электроны спинами: у тех, которые испытывали наименьшее трение, спины были направлены туда же, куда и "магнитные стрелки" всех атомов. То есть проводимость, по сути, осуществляли электроны с одним направлением спина. Это открытие означало, что в принципе возможно создание инструмента для получения потоков электронов с одним спином и управления ими. Однако техника семидесятых не позволила превратить фундаментальное знание в нечто практически важное.
Когда Альбер Фер в начале 70-х годов прошлого века готовил свою диссертацию, он в том числе искал ответ на вопрос: как небольшие добавки других элементов влияют на сопротивление магнитных материалов. Эти поиски заставили его обратить внимание на спины тех электронов, которые обеспечивали электрический ток. Спины, а не спинки! Всех нас когда-то учили в школе, что спин - движение электрона вокруг своей оси. Конечно, физики знают, что в реальности все обстоит гораздо сложнее. Однако, отвлекаясь от абстракций квантовой механики, даже они часто объясняют непосвященным суть дела с помощью правила буравчика. Если воспользоваться этой аналогией, можно сказать, что вращение происходит по часовой стрелке или против нее, соответственно вверх и вниз. Из этой аналогии и выросло представление о том, что спин электрона может быть куда-то направлен. Хотя где у электрона верх, а где низ, доподлинно неизвестно.
Невидимый беспорядок
Альбер Фер из Университета в ПАРИже и Петер Грюнберг из Института исследований твердого тела Исследовательского центра Юлиха (Германия) в последнее время не успевают позировать фотографам, держа в руках жесткий диск компьютера как символ научной удачи. Похоже, они и вправду поймали за хвост синюю птицу счастья. Люди, открытие которых принесло компаниям, изготавливающим носители информации, миллиарды долларов, вскоре получат самую престижную в мире научную награду. За то, что научили человечество с помощью магнитного поля управлять электрическим сопротивлением веществ.
Открыв эффект гигантского магнето-сопротивления, физики, удостоенные нынешней премии Шведской королевской академии наук, отворили дверь в новую эру магнитной электроники. Нам только предстоит за нее заглянуть
Спиногрызы /PНаука
44 (594) / Спиногрызы
Комментариев нет:
Отправить комментарий