Нобелевская премия-2007

В этом году Нобелевская премия по физике присуждена Петеру Грюнбергу (слева) и Альберу Феру за открытие гигантского магнетосопротивления. Что же в этом явлении такого особенного? Всем знакомо электрическое сопротивление – способность материалов мешать протеканию электрического тока. Если проводник с током поместить во внешнее магнитное поле, то электрический ток слегка изменится, словно под действием магнитного поля изменилось электросопротивление материала. Это изменение называется магнетосопротивлением, и открыто оно было 150 лет назад. Ключевое слово в открытии — «гигантский». Дело в том, что величина магнетосопротивления никогда не превышала нескольких процентов. Лишь после того, как научились создавать принципиально новые материалы, до которых природа не додумалась сама, стало ясно, что в них могут таиться физические явления, казавшиеся ранее невозможными.

Электрическое сопротивление. Электрический ток в металле — это поток свободных электронов. Возникает он потому, что кусок металла находится под напряжением, т.е. внутри него возникают электрические силы, которые и приводят электроны в движение. Сопротивление возникает из-за того, что в своём движении электроны натыкаются на препятствия, постоянно сбиваясь с курса, на который их направляют электрические силы. Не стоит представлять себе, что электроны разгоняются, стукаются об атомы, останавливаются и снова разгоняются. На самом деле они движутся всегда, даже без внешнего электрического поля и даже при нулевой температуре, причём с довольно большой скоростью. Это движение электронного газа внутри металла возникает из-за принципа Паули, запрещающего двум или более электронам занимать одинаковое квантовое состояние. Значит, электроны не могут иметь слишком близкие значения энергии (следовательно, не могут все остановиться) и обладают всевозможными энергиями — от нуля до энергии Ферми. «Препятствия» — это вовсе не атомы (атомы для электронов проводимости вообще прозрачны, если, конечно, они расположены в виде строгой периодической решётки), а неоднородности, нарушения строгой периодичности, например, дефекты кристалла, примесные атомы или просто тепловые колебания (фононы).

Если приложить напряжение, то на быстрое беспорядочное движение электронов наложится медленное смещение под действием внешних электрических сил. Этот медленный дрейф и есть электрический ток. Важно: участвовать в этом движении могут далеко не все электроны, а только очень небольшая их часть — лишь те, которые обладают энергией, близкой к максимальной (к энергии Ферми). Если таких электронов много, ток большой, а значит, сопротивление маленькое. Если мало, то и ток мал, т.е. материал имеет большое сопротивление.

Спин и магнетизм. У электрона есть ещё одна характеристика (и тоже квантовая!) — спин, – причём строго определённый, ориентированный в выбранном направлениии против него (условно говоря, вверх и вниз). В большинстве веществ ориентация спина никак не сказывается на электрическом токе. Однако для явления гигантского магнетосопротивления именно спин играет ключевую роль. Само это открытие, собственно, заложило новую область электроники — спинтронику, в которой спин электрона такая же важная характеристика, как и его заряд.

Отличительной особенностью спина является его связь с магнитным полем. Спин не только заставляет частицу откликаться на магнитное поле, но и сам его порождает. В частности, магнетизм в ферромагнетиках (их обычно называют просто магнитами) как раз получается из-за того, что спины всех ионов выстраиваются в одинаковом направлении. Без магнитного поля концентрации электронов со спином вверх и вниз одинаковы. В присутствии магнитного поля (например, внутри ферромагнетика) энергии электронов со спином по полю и против поля разные, соответственно и концентрации этих групп электронов вблизи энергии Ферми разные.

В итоге электрический ток в ферромагнетике состоит из двух разных, но тщательно перемешанных потоков электронов – со спином по направлению намагниченности и против неё. Эти два типа электронов испытывают со стороны металла разное сопротивление — ориентированные против поля, двигаются более свободно. Подчеркнём, что в обычной медной проволоке такого разделения нет, — эта картина специфична именно для ферромагнетиков, например для намагниченного куска железа. Она была подтверждена экспериментально не так давно, в 1968 г. И один из авторов – Альбер Фер. Общее понимание электрических явлений в ферромагнетиках начало складываться именно тогда.

Итак, «внутренний мир» ферромагнетика оказывается очень богатым, но пока не видно способа им воспользоваться для манипуляции сопротивлением образца. Ведь если металл ферромагнитный, то он таким остаётся и при воздействии внешних полей, разве только у него может измениться направление намагниченности. Тут-то и пришли на помощь новые искусственные материалы, не существующие в природе, — сверхрешётки. Как оказалось, именно в них можно управлять не просто величиной намагниченности, а характером магнитной упорядоченности, и через него — электрическим сопротивлением.

Материалы, которых никогда раньше не было.

Сверхрешётка — это чередующиеся слои (толщиной в несколько атомов) различных материалов с похожей кристаллической структурой. Приставка «сверх-» отражает наличие периодической структуры большего размера, чем период кристаллической решётки. Изготовление таких слоек — технологически непростая задача. Их выращивают в глубоком вакууме, напыляя на подложку слой за слоем нужное вещество. Оба типа вещества, а также сама подложка, должны обладать схожей кристаллической решёткой, иначе слойку перекорёжит, а это самым негативным образом скажется на протекании через неё электрического тока. Кроме того, надо следить, чтобы атомарные слои напылялись ровно, чтобы не было бугорков и впадин и чтобы слои разных веществ ровно накрывали друг друга, не перемешиваясь. Наконец, требуется ещё контролировать магнитные свойства вырастающих слоёв, для чего применяется интересный эффект — рассеяние света спиновыми волнами.

Как только учёные научились изготавливать разные слойки, они принялись экспериментировать с разными комбинациями материалов, в том числе и с чередующимися слоями ферромагнетика и немагнитного металла. Выяснилась интересная вещь. Если правильно подобрать материал для немагнитных слоёв и его толщину, то магнитные слои приобретут «противоестественную» для ферромагнетика тенденцию чередовать ориентацию намагниченности (рис. слева). В слойке железо–хром это обнаружила группа Петера Грюнберга в 1986 г. Если эту структуру поместить в достаточно сильное внешнее поле, то намагниченность всех слоёв развернётся в одну сторону (рис. справа), а если поле убрать, то чередование слоёв восстанавливается. Так у экспериментаторов появилась возможность легко изменять тип магнитной упорядоченности.

Гигантское магнетосопротивление. Итак, в отсутствие внешнего магнитного поля намагниченность слоёв железа чередуется. Двигаясь поперек слойки, электроны со спином вверх чувствуют большое сопротивление внутри слоёв с магнитными полем вверх, но слабое сопротивление внутри слоёв с магнитными полем вниз. Для электронов со спином вниз всё в точности наоборот. Поскольку и тех, и других слоев — одинаковое число, то оба сорта электронов оказываются в равноправной ситуации. Если же приложить внешнее поле и выровнять намагниченность всех слоев, то электроны двух типов окажутся в разных условиях. Электроны, ориентированные по полю, везде, во всех слоях, будут испытывать большое сопротивление, их вклад в ток уменьшится. В то же время электроны, ориентированные в противоположном направлении, испытают везде маленькое сопротивление. Иными словами, для таких электронов слойка выглядит как короткое замыкание, и переносимый ими ток заметно возрастает. Во сколько именно раз уменьшится ток со спином по полю и увеличится ток со спином против поля — зависит от свойств вещества, но в любом случае суммарное сопротивление уменьшается.

Эту задачку нетрудно сосчитать и количественно — она по силам даже школьнику. Надо только представить себе, что два сорта электронов работают как два параллельных участка электрической цепи (несмотря на то, что текут сквозь одну и ту же слойку!). В первых экспериментах Фера сопротивление образца уменьшалось почти в два раза, но лишь в сильных магнитных полях и при очень низкой температуре (4,2 К). В экспериментах Грюнберга при комнатной температуре изменение сопротивления было гораздо скромнее, всего 1,5%, и всё-таки будущий нобелевский лауреат разглядел в этом принципиально новый эффект. Несколько лет исследований позволили добиться уменьшения сопротивления в 2 раза уже при комнатной температуре и в гораздо меньших магнитных полях.

Так просто и так сложно. На гигантское магнетосопротивление полезно взглянуть ещё и вот с какой точки зрения. Само явление формулируется чрезвычайно просто и выглядит очень естественно: электрический ток и магнитное поле — это классическая физика XIX в. Однако реальные микроскопические причины, приводящие к такому интересному эффекту, очень непросты и многократно опираются на квантовую механику. Можно даже отметить, что в этом явлении используются все три принципиальных новшества квантовой механики: волновая природа, тождественность и спин частиц.

Напрашивается также и параллель с ещё одним электромагнитным явлением — эффектом Холла. Этот эффект тоже возникает при протекании тока в магнитном поле, он тоже был открыт в XIX в., и с приходом квантовой механики в нём тоже открыт целый пласт новых эффектов. Только в отличие от магнетосопротивления эффект Холла привёл уже к двум Нобелевским премиям по физике — в 1985 и 1998 гг.

Впрочем, у магнетосопротивления есть реальный шанс поквитаться. На очереди стоит колоссальное магнетосопротивляение — явление совсем иного уровня сложности, детальное понимание которого пока что ускользает от исследователей.

И напоследок. Нобелевский комитет подчеркнул, что использование эффекта гигантского магнетосопротивления привело к резкому увеличению плотности записи на жёстких дисках. Связь очень простая — слойка с гигантским магнетосопротивлением – чрезвычайно компактный, быстрый, чувствительный и очень простой датчик магнитного поля. Будучи расположенной над быстро вращающейся пластиной жёсткого диска, такая слойка отслеживает магнитные поля пролетающих под ней битов и сразу же переводит их в электрический ток.

Однако несколько удручает то, что многочисленные СМИ, ужимая всё сообщение в одну фразу, полностью выкидывают саму суть открытия, оставляя лишь его «потребительскую» сторону. Из многочисленных заголовков следует, что премия дана за нанотехнологии или даже за уменьшение размеров жёстких дисков. На самом деле в своих статьях об открытии явления гигантского магнетосопротивления будущие нобелевские лауреаты писали о практических приложениях лишь в самых общих словах. Они ни в коей мере не были нацелены именно на какое-либо конкретное практическое применение — они изучали новый магнитный эффект. И премия была дана именно за научную сторону дела, а не за внедрение этого эффекта в IT-технологии. Конечно, это не значит, что авторы вообще не догадывались о возможных применениях, — П.Грюнберг запатентовал технологию магнитных датчиков с использованием эффекта гигантского магнетосопротивления. Они прекрасно понимали, что в современном высокотехнологическом мире всякий принципиально новый материал рано или поздно найдёт своё практическое применение. Именно такой же интерес движет сейчас исследователями, изучающими, скажем, метаматериалы с удивительными оптическими свойствами.

За открытием гигантского магнетосопротивления последовало открытие других схожих эффектов и бурное развитие всей области. Оптимизировав схему слойки, исследователи придумали «спиновый вентиль» — именно он и используется сейчас в головках жёстких дисков. При замене немагнитного металла изолятором появился эффект туннельного магнетосопротивления, на основе которого сейчас создают энергонезависимую магниторезистивную память.

Наконец, физики обратили внимание и на «естественно-слоистые» материалы. Именно в таком материале — манганите лантана — был в 1994 г. открыт новый, гораздо более сильный эффект — колоссальное магнетосопротивление, причина которого пока не выяснена до конца, но датчики уже запатентованы.

По сайту:
http://elementy.ru/news/430612,

И.ИВАНОВ (в сокращении)