2007 НОБЕЛОВИ НАГРАДИ
О. БАКЛИЦКАЯ, кандидат на физико-математическите науки.
Нобеловата награда за физика за 2007 г. получи европейските физици Алберт Ферт и Питър Грюнберг, които независимо откриха ефекта на гигантското магнитоустойчивост (GMR). Това не е първата награда на учените: през последните двадесет години техните заслуги бяха отбелязани от Физическите общества на Америка и Европа, Международния съюз по физика и приложна физика, Японската научно-технологична фондация и Израелската фондация на вълка бяха присъди наградата. Откритието е важна стъпка в развитието на технологията за съхранение на информация. За необичайно кратко време беше възможно да се премине от лабораторни проби към промишлена употреба на GMR ефекта в глави на твърд диск и свръхчувствителни магнитни сензори. Въпреки това, независимо колко голямо е практическото значение на откритието, трябва да се отбележи, че Нобеловата награда за физика 2007 е преди всичко триумф на фундаменталната наука.
Свидетели сме на невероятните постижения през последните години в областта на компактното съхранение на информация: размерът на твърдите дискове намалява, а капацитетът се увеличава и вече се измерва в терабайта (хиляди милиарди байтове). Този технологичен прогрес обаче едва ли би бил възможен без обширни фундаментални изследвания на магнитните и квантово-механичните свойства на материалите.
Следващата стъпка е направена от английския физик Невил Мот, който през 1977 г. получава Нобелова награда за физика „за фундаментални теоретични изследвания на електронната структура на магнитните и неуредени системи“. В средата на тридесетте години на XX век той насочи вниманието на колегите към някои аномалии при преноса на електричество във феромагнетици, произтичащи от факта, че електронът, освен заряда, има и спин.
Понятието „въртене“ навлезе във физиката преди повече от осемдесет години. Спинът е правилният ъглов момент на електрона (въпреки че, строго погледнато, електронът няма никакво въртене), неговото важно квантово свойство (за повече подробности вж. Наука и живот, № 11, 2003). Магнитният момент на електрона също е свързан със спина, така че поведението му в магнитен материал зависи от посоката на спина. Повечето електрони се подреждат така, че техният спин е по магнитното поле, но някои електрони имат противоположен спин. Разликите в посоките на въртене могат да се използват за постигане на различни магнитоелектрични ефекти. Доскоро обаче електрониката, използвана в компютри и домакински уреди, „експлоатира“ само електронния заряд. Освен това, според ирландския физик Майкъл Коуи, традиционната електроника игнорира въртенето. Това прочуто твърдение се нарича "лема на Коуи".
Ерата на спиновата електроника започва през 1988 г. с откриването на гигантско магнитоустойчивост (GMR) в многослойни материали с редуващи се тънки слоеве от феромагнитни и немагнитни метали. Отделен слой е с дебелина само няколко атома. Съпротивлението на такива проби е високо, ако магнитните полета във феромагнетиците са насочени в противоположни посоки и е минимално, когато магнитните полета са успоредни.
Каква е причината за този ефект? Електрическото съпротивление на проводника е толкова по-голямо, колкото по-често електроните, изтеглени от електрическото поле, се сблъскват с препятствия (нехомогенности на кристалната решетка, примеси) и се отклоняват от прекия път. В този случай електроните с многопосочни завъртания се държат малко по-различно, когато срещат препятствия. Някои от тях, например, тези, чиито завъртания съвпадат с посоката на магнитното поле, са забавени в по-малка степен и противоположно насочени в по-голяма степен. Кои електрони имат предимство, зависи от вида на магнитния материал, в който умишлено се въвеждат примеси на други вещества. Например, ако добавите малко количество желязо или кобалт към никела, въртящите се надолу електрони ще бъдат разпръснати 20 пъти повече от въртящите се електрони.
Феноменът на гигантско магнитоустойчивост може да се наблюдава само в много тънки филми. Когато се движи в дебели проводници, електронът има време да промени посоката на въртене под въздействието на различни причини. Предпоставка за откриването на GMR ефекта е технологията за производство на най-тънките (нанометрови) метални слоеве, появили се през седемдесетте години на XX век. Така че GMR технологията може да се разглежда като едно от първите приложения на популярните нанотехнологии днес.
Нова научна и технологична посока, използваща спинови ефекти, се нарича „спинтроника“. Бяха разработени въртящи се клапани и магнитни тунелни кръстовища, които направиха възможно увеличаването на плътността на записването на информация с порядъци.
МАГНИТНО УСТОЙЧИВОСТ И СЪХРАНЕНИЕ НА ИНФОРМАЦИЯ
В твърдите дискове информацията се натрупва в плътно опаковани малки зони, които се магнетизират по различни начини. Едната посока на намагнитване съответства на логическото "0", а другата - "1". За да обработи информацията, главата за четене/запис сканира твърдия диск. В стремежа си към неговото миниатюризиране учените и инженерите трябва да намалят размера на магнитните области. Това означава, че магнитното поле над повърхността на областта, която съхранява един бит информация, става по-слабо и по-трудно за четене. И затова такъв плътно опакован твърд диск изисква по-чувствителна техника на четене. Първоначално за тази цел са използвани индуктори и те все още играят важна роля при записване на информация на диск. Но за да го прочетете, магниторезистивните сензори са по-подходящи.