Нобелевскую премию по физике за 2007 год разделили француз Альбер Ферт и немец Петер Грюнберг за открытие нового явления – гигантского магнитосопротивления (ГМС), совершенного лауреатами независимо в 1988 году. Приложения этого открытия сыграли революционную роль в технологии записи информации на жестких дисках компьютеров, а также в магнитных чувствительных элементах нового поколения.

Постоянное уменьшение размеров электронных устройств – очевидная тенденция в сегодняшнем мире Информационных Технологий. Объемистая коробка компьютера под нашим столом скоро будет историей, то же самое количество данных может легко быть запасено в тонком ноутбуке. Максимальная емкость жестких дисков для домашнего использования уже достигла терабайта (тысяча миллиардов байтов). Мобильные компьютеры, музыкальные плееры, информационные поисковые системы – везде нужны жесткие диски, где информация упакована максимально плотно.

Информация на жестком диске хранится в форме намагниченных участков или областей очень маленького размера. Одно направление намагниченности соответствует нулю, а другое – соответствует единице. Считывающая головка сканирует диск и регистрирует направление намагниченностей этих областей. Когда диски становятся меньшими, каждая магнитная область также должна сжаться. Это означает, что магнитное поле от такой области становится все более слабым. Поэтому более плотно упакованный диск требует более чувствительных считывающих головок.

В старых считывающих головках использовалась индукция – возникновение электрического тока в проводнике в переменном магнитном поле. Это явление хорошо известно со времен Майкла Фарадея. Хотя индукционные катушки все еще используются для записи информации на диске, для функции считывания они слишком медленны.

Давно известно, что на электрическое сопротивление можно влиять магнитным полем. В 1857 году британский физик лорд Кельвин опубликовал статью, показывающую, что сопротивление проводника меняется при приложении магнитного поля. Этот эффект был прямым предшественником открытого А. Фертом и П. Грюнбергом эффекта гигантского магнитосопротивления.

Предпосылкой для открытия ГМС явился прогресс в производстве тонких металлических пленок нанометрового размера, который обозначился в 90-х годах. Нанометр – это биллионная часть метра, и новая технология имеет дело с объектами, состоящими из нескольких атомных слоев. На атомном уровне вещество ведет себя по-другому, поэтому наноструктуры показывают совершенно новые, необычные свойства. Это действительно не только для магнетизма и электропроводности, но также для химических и оптических свойств.

Электрический ток в металлическом проводнике – это движение электронов в определенном направлении – чем более прямой путь электронов, тем выше проводимость. Электрическое сопротивление обусловлено отклонением электронов от прямого пути, когда они наталкиваются и рассеиваются на неоднородностях, всегда присутствующих в материале проводника. Чем больше рассеяние электронов, тем выше сопротивление.

В магнитном материале на этот процесс влияет направление намагничивания, которое задается внешним магнитным полем. Связь между полем и сопротивлением возникает из-за внутреннего вращения электрона, который в физике называется спином, что означает "крутиться". Спин, в свою очередь, индуцирует магнитный момент электрона, почему электрон ведет себя как магнитная стрелка в компасе. В магнитном материале большинство магнитных моментов электронов проводимости направлено одинаково (иногда говорят – поляризовано) вдоль направления намагниченности, и только небольшое число направлено в противоположном направлении. Электроны с разным направлением магнитного момента рассеиваются на нерегулярностях  и примесях по-разному, поэтому результирующее сопротивление будет зависеть от направления магнитных моментов электронов, которое прямо связано с общим направлением намагниченности в проводнике.

Самая простая система, где может возникнуть гигантское магнитосопротивление, состоит из слоя немагнитного материала, зажатого между двумя слоями магнитного металла. Если оба магнитных слоя намагничены в том же самом направлении, электроны будут иметь моменты, ориентированные в одном и том же направлении, и будут легко проходить сквозь структуру. Полное сопротивление будет малым. Если намагничивание двух магнитных слоев направлено по-разному, электроны, прошедшие первый слой с моментами вдоль намагниченности этого слоя уже не могут легко пройти через второй магнитный слой, где их момент оказывается уже против намагниченности. В этом случае полное сопротивление будет высоким.

Теперь можно представить структуру считываемой головки сканирующей жесткий диск: намагничивание первого магнитного слоя фиксировано, в то время как направление намагничивания второго магнитного слоя свободно переключается под действием магнитных полей жесткого диска. В такой структуре первый слой задает общее направление магнитных моментов электронов, а второй слой играет роль быстрого затвора, который управляется внешним полем. Это поле непрерывно меняет направление в зависимости от направления намагниченности в том месте диска, где в данный момент времени находится считывающая головка. Таким образом, сопротивление головки и, следовательно, ток через нее резко меняются, что очень легко регистрировать.

В середине 80-х ученые поняли, какие новые возможности обещают нанометровые слои. Альбер Ферт и его коллеги создали систему приблизительно в тридцать перемежающихся слоев железа и хрома, каждый слой имел толщину в несколько атомных слоев. Группа Питера Грюнберга создала более простую систему, составленную только из трех слоев железа со слоем хрома, зажатого между ними.  Поскольку в системе Ферта использовалось много слоев, он зарегистрировал бóльшее магнитосопротивление, чем Грюнберг. Французская группа увидела изменение сопротивления до 50 процентов, тогда как немецкая группа увидела изменение сопротивления порядка 10 процентов. Это и было открытие, поскольку в традиционных экспериментах никто не регистрировал изменения магнитосопротивлениея более чем на один процент.

Альберт Ферт был первым, кто четко ввел понятие гигантского магнитосопротивления и уже в первой публикации указал, к каким важным приложениям может привести это открытие. Питер Грюнберг также сразу понял практический потенциал явления и зарегистрировал патент одновременно с написанием научной статьи. 

Однако чтобы коммерциализовать новую технологию необходимо было придумать, как изготовить сверхтонкие слои в промышленном масштабе. Метод, использованный Грюнбергом и Фертом, не годился в качестве промышленного процесса. Следующий важный шаг сделал англичанин Стюарт Паркин, который показал, что можно получить многослойные пленочные покрытия, используя более простой метод, известный как "напыление". Все это явилось основой новой технологии, которая быстро стала стандартом в производстве жестких компьютерных дисков.

Новую технологию можно рассматривать как шаг в развитии нового типа электроники – спинтроники, где используется не только электрический заряд электрона, как в традиционной электронике, но и спин. Общая специфика спинтроники – это малые размеры, поскольку направление спина электрона может сохраняться только на очень коротком расстоянии, в более толстых слоях направление спина неконтролируемо меняется из-за теплового движения. Появление новых технологий тонких покрытий нанометрового размера было необходимым условием для открытия ГМС. В свою очередь спинтроника – движущая сила в быстром развитии физики наномира. Эта область физики – прекрасный пример того, как фундаментальная наука и технология сплетаются и взаимно обогащают друг друга.  

Доктор физ.-мат. наук И.В. Голосовский

По материалам Нобелевского Комитета.