На пути к спинтронике оказалось весьма полезным гигантское сопротивление

В конце 2007 года в столице Швеции были объявлены имена лауреатов Нобелевской премии в области физики. Француз Альбер Фер и немец Петер Грюнберг были удостоены высокой награды за открытие эффекта так называемого гигантского магнитного сопротивления (сокращенно GMR).

Еще в 1857 году английский физик лорд Кельвин обнаружил, что электрическое сопротивление меняется под воздействием магнитного поля. Если поле приложено вдоль проводника, сопротивление минимально и возрастает, если силовые линии магнитного поля направлены перпендикулярно проводнику.

Обнаруженный эффект оказался невелик и практического применения в то время не нашел. Но когда к концу XX века появилась техническая возможность создавать металлические пленки толщиной в миллиардную долю метра, то есть всего в несколько атомов, открытое Кельвином явление вдруг проявило себя совершенно по-новому.

В обычном проводнике, как известно, электрический ток передается электронами. И чем прямее их путь, чем меньше они рассеиваются на загрязняющих примесях и дефектах кристаллической решетки, тем ниже сопротивление.

Если проводник состоит из тончайших слоев, разделенных немагнитной прослойкой, и магнитные поля в соседних слоях направлены в одну сторону, сопротивление такого проводника тоже мало. Однако, если эти магнитные поля направлены противоположно, рассеивание электронов за счет квантовых эффектов на границах слоев резко увеличивается и сопротивление многократно возрастает. В этом и состоит суть эффекта, обнаруженного нынешними лауреатами в 1988 году.

Интересно, что до них в 1985 году аналогичную работу вел Чак Майкржак из Брунхевенской национальной лаборатории. Он заметил в «сэндвиче», состоящем из слоев ферромагнитного гадолиния и немагнитного иттрия, интересное явление.

Когда слой иттрия был толстым, то во всех прослойках гадолиния спины электронов направлены в одну и ту же сторону, то есть параллельны. А в «сэндвичах», где прослойки иттрия были тонкими, направления намагниченности гадолиния чередовались. Если бы Майкржак догадался замерить электрическое сопротивление такой структуры, автором открытия был бы он. Но он ограничился в 1986 году лишь публикацией статьи о замечен ном им эффекте. И честь первооткрывателей досталась нынешним нобелевским лауреатам.

Сначала они работали независимо друг от друга. Но, познакомившись в 1988 году на научной конференции по проблемам магнетизма в Париже, ученые стали информировать друг друга о проделанных исследованиях.

И хотя Фер работал с двухслойными «сэндвичами», а Грюнберг с трехслойными, нобелевский комитет наградил обоих.

Схема, показывающая суть эффекта GMR. Многослойный «сэндвич», состоящий из железа (обозначено зеленым) и хрома (серый цвет), может обладать высоким сопротивлением, если намагниченность слоев не одинакова ( рис. А ). И сопротивление становится низким, если намагниченность одинакова во всех слоях ( рис. Б ).

В конце ХХ века потрясающая чувствительность GMR к изменению поля была оценена по достоинству, и в 1997 году IBM создала первую считывающую головку, основанную на этом эффекте. Она получилась весьма компактной, обладала высокой избирательностью, что позволило значительно увеличить емкость носителей как оперативной, так и долговременной памяти в компьютерной технике.

Например, ныне уже созданы жесткие диски вместимостью 1 терабайт, или 1000 мегабайт. На практике это означает, что на таком диске можно записать, например, 200 полнометражных фильмов. А если сделать попытку записать тот же объем информации на обычных дискетах, то высота столба, составленного из них, достигнет… 2 км! Между тем, сейчас компьютерщики ведут разговоры о создании дисков вместимостью 4 терабайта…

Кроме того, с помощью технологии GMR удалось намного увеличить скорость считывания, а также записи информации в миллионах компьютерных систем.

И это еще не все. Нобелевская премия — уже пятая крупная международная награда, полученная исследователями за эту работу. Поскольку, как уже говорилось, эффект GMR наблюдается в материалах, состоящих из двух магнитных слоев, разделенных очень тонким немагнитным, то это свойство позволяет создавать ток не из простых, а из спин-поляризованных электронов.

Раньше спином электрона для наглядности называли свойство частицы крутиться в одну или другую сторону, словно волчок (отсюда, собственно, и название — spin в переводе с английского «вращаться»). Ныне же физики называют спином «собственный момент количества движения электрона или иной элементарной частицы, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого».

То есть, проще говоря, можно представить, что каждый электрон представляет собой как бы крошечный элементарный магнитик, «северный» конец стрелки которого совпадает с направлением спина.

Со спинами электронов связано такое интересное явление, как ферромагнетизм — способность материала становиться магнитом. Суть его в том, что в некоторых металлах — например, железе, хроме, никеле и гадолинии — электроны с одинаковым спином способны объединенными усилиями превратить в магнит атом, которому они принадлежат. А все атомы вместе делают магнитом и весь материал.

Для нас, впрочем, в данном случае важно то, что такая особенность может быть использована для создания еще более совершенных электронных схем.

Новая область науки, использующая спин в квантовых вычислительных системах, названа спинтроникой. По мнению многих экспертов, она позволит вскоре создать сверхмощные квантовые компьютеры, по сравнению с которыми современные вычислительные машины будут казаться столь же медлительными, как механические арифмометры по сравнению с электронными калькуляторами.

С. НИКОЛАЕВ

Кстати…

СТО ПЕРВАЯ НАГРАДА

К сказанному можно добавить, что данная премия — 101-я в истории Нобелевских премий по физике. (По разным причинам премии не присуждались в 1916, 1931, 1934 и 1940–1942 годах.) И впервые за многие годы среди лауреатов не оказалось физиков из США.

Первым лауреатом Нобелевской премии по физике стал в 1901 году Вильгельм Конрад Рентген, удостоившийся приза за открытие лучей, ныне носящих его имя. Отечественные ученые ждали первой премии еще 57 лет, зато в 1958 году за открытие и объяснение эффекта Черенкова ее получили сразу трое советских исследователей — Игорь Тамм, Илья Франк и, собственно, сам Павел Черенков.

Вообще, физики были наиболее удачливыми из отечественных ученых на нобелевском поприще — наша страна может похвастаться 10 лауреатами. Через четыре года после Черенкова и его коллег премию получил знаменитый теоретик Лев Ландау. Еще через два года академики Басов и Прохоров поделили с американцем Таундсом премию за создание лазера, а в 1978 году высшей наградой был отмечен патриарх советской физики Петр Капица.

Последними же лауреатами стали Жорес Алферов в 2000 году и Алексей Абрикосов вместе с Виталием Гинзбургом — в 2003-м.

Примечательно, что почти половина отечественных ученых, отмеченных Нобелевской премией (Абрикосов, Гинзбург, Капица и Ландау), получили ее за исследования в области низких температур. Кроме того, за работы в области классической физики получили премии лишь первые три лауреата. Работы остальных относятся к квантовой физике — теоретической или экспериментальной.

В нашей стране тоже ведутся работы по GMR. Однако у наших ученых попросту не хватает денег на развитие необходимых технологий.

 

Антинобель нашел своих героев

В октябре, как обычно, нобелевская неделя началась с объявления имен лауреатов Шнобелевских или Игнобелевских премий — наград за самые бесполезные научные достижения.

Церемония награждения с большим весельем прошла в Гарвардском университете 4 октября. Каждый из номинантов должен был всего за 24 секунды рассказать о сути своей работы и подвести ее итог всего в 7 словах, что, согласитесь, уже требует немалого остроумия.

В области медицины награды удостоились Брайан Уиткомб (Великобритания) и Дэн Мейер (США), за обстоятельный доклад «Шпагоглотательство и его побочные эффекты». Исследователи пришли к выводу, что это занятие чревато повреждениями горла и разрывами пищевода. Причем доктор Дэн Мейер буквально не пожалел живота своего и публично продемонстрировал трюк с глотанием шпаги.

Так выглядит награда Игнобелевского комитета.

Д. Мейер демонстрирует трюк с глотанием шпаги.

Кстати, о животе. Диетолог Брайан Уэнсинг (США, университет Корнелла) наглядно продемонстрировал, что за чувство насыщения отвечает не только желудок, но и… глаза. Когда он стал кормить испытуемых супом из «бездонной» тарелки с автовосполнением, то они стали съедать намного больше, чем обычно. Люди предпочитали больше верить глазам своим, нежели желудку: раз тарелка по-прежнему полна, значит, съели они нее много…

Физики Лакшминараянан Махадеван (США, Гарвардский университет) и Энрике Сэрда Вильябланка (университет Сантьяго в Чили) не пожалели времени и усилий для исследования процесса образования складок на простынях. Они пришли к заключению, что во всем виноваты силы трения и беспокойство спящих. Чем больше они вертятся по ночам, тем чаще образуются складки. Причем, как оказалось, этот процесс можно описать математически. Что, как ни странно, весьма заинтересовало создателей компьютерных игр и мультфильмов. Теперь они смогут более реалистически изображать складки на развевающихся знаменах и одежде своих героев.

Проблемами постели интересуется, со своей стороны, и биолог Йоханна ван Бронсвийк (Голландия, технологический университет Эйндховена). Она ухитрилась пересчитать и переписать все ныне существующие виды постельных паразитов — насекомых, бактерий и грибков. Они тоже в какой-то мере ответственны за то, что иные люди спят по ночам беспокойно.

А вот химик Майя Ямамото (Международный медицинский центр Японии) подтвердила своей работой, что и в навозной куче можно отыскать жемчужное зерно. Во всяком случае, ей удалось разработать способ получения из коровьего навоза… ванилина!

Лингвисты Хуан Мануэль Торо, Хосеп Тробалон и Нуриа Себастиан-Гальес (Испания, Барселонский университет) в очередной раз подтвердили, что животные хоть и обладают разумом, но до людей им все же далеко. По их мнению, даже такие сообразительные животные, как крысы, не способны отличать говор человека, говорящего по-японски «задом наперед», от произносимой аналогичным образом голландской речи.

Экономист Го Чжэн Се (Тайвань) пришел к заключению, что дешевле всего ловить грабителей банков путем набрасывания на них специальной сети. А пока они будут выпутываться из создавшейся ситуации, подоспеет полиция…

Литератор Гленда Браун из Австралии обратила внимание собравшихся, что определенный артикль the в английском языке приводит в замешательство компьютер при алфавитной сортировке названий книг и фильмов. А это наводит путаницу в каталогах библио- и видеотек.

Стоит отметить, что практически все победители прибыли на церемонию награждения лично.