Журнал «Компьютерра» № 10 от 14 марта 2006 года

Широко известный пьезоэлектрический эффект был открыт в 1880 г. и с тех пор нашел применение как в промышленности, так и быту (его используют, например, в пьезозажигалках). Пьезоэлементы созданы из материалов, при деформации которых появляется электрический потенциал. На рис. 3. показано возникновение потенциала при деформации кристалла кварца. Если же мы поместим их в электрическое поле, то пьезоэлементы деформируются – это инверсионный пьезоэлектрический эффект. Материалы, которые используют в качестве пьезоэлементов, можно разбить на две группы: пьезоэлектрические монокристаллы и пьезокерамика. Максимальная величина классического пьезоэлектрического эффекта получена для керамики и составляет около 0,17 %. Гигантский пьезоэлектрический эффект, равный 1,7 %, достигнут в пьезокерамике PMN-PT (свинец, магний, ниобат/свинцовый титанат). Такие пьезоэлементы нашли применение в промышленности в качестве датчиков различных физических величин (ускорения, давления, изменения размеров), пьезоприводов механизмов и т. д. Массив из микрозеркал, в основе которого лежат пьезоэлементы, позволяет создать управляющие устройства для волоконно-оптических сетей. В последние годы наблюдается стремительный прогресс в разработке нано– и микроэлектромеханических устройств, способных передвигаться, собирать, хранить и передавать информацию, осуществлять определенные воздействия по заложенной программе или команде. Разработку микроприводов, а также пьезоэлектрических генераторов невозможно представить без материалов с гигантским пьезоэффектом.

Еще один гигантский эффект, результат внедрения которого почувствовал каждый пользователь компьютера, – эффект гигантского магнитосопротивления. Читатели, наверное, помнят, что в конце 90-х годов средняя емкость жесткого диска составляла примерно 20 Гбайт, что соответствовало плотности записи информации около 4,1 Гбайт/кв. дюйм. Однако сегодня емкость жестких дисков возросла до 400 Гбайт, а плотность записи достигла 100 Гбайт/кв. дюйм. С чем связан такой стремительный рост?

Технологический прорыв обеспечил эффект гигантского магнитосопротивления (ГМС) открытый в 1988 г. В 1997 г. компанией IBM были созданы считывающие головки для жестких дисков, основанные на явлении ГМС. Они обладали высокой чувствительностью к магнитному полю при малом геометрическом размере, что позволило сократить размер бита и, следовательно, значительно увеличить емкость носителей. Ниже мы рассмотрим более подробно это и другие применения ГМС.

Магнитосопротивление

Рождением магнитной электроники можно считать открытие магнитосопротивления в 1857 г. Тогда было обнаружено, что электросопротивление материалов изменяется под действием магнитного поля.

В немагнитных проводниках, таких как медь или золото, этот эффект очень мал. В ферромагнитных материалах величина магнитосопротивления достигает 4%. В ферромагнетике в отсутствие внешнего магнитного поля образуются магнитные домены, внутри которых магнитные моменты параллельны. При включении магнитного поля, величина которого для каждого материала индивидуальна, эти микроскопические магнитные домены исчезают, и весь образец превращается в единый домен, то есть намагничивается. Электросопротивление ферромагнетика до и после намагничивания различно, что и отображено на рис. 4.

Удельное электросопротивление магнитных материалов зависит от угла между магнитным полем и током. Это явление назвали анизотропным магнитосопротивлением. Несмотря на небольшую величину этого эффекта он широко используется в приборах для измерения магнитных, электрических, механических и других физических величин, системах автоматизации и сигнализации, в средствах хранения информации. Однако сегодня наибольший интерес вызывают материалы с эффектом гигантского магнитосопротивления. В следующем разделе мы расскажем о нем более детально.

Металлические спин-электронные структуры

Начиная с двадцатых годов прошлого столетия было известно, что электроны, создающие ток в электрической цепи, обладают и собственным магнитным моментом, спином. Однако в практических целях это никак не использовалось. С приходом нового тысячелетия появилась новая отрасль науки – магнитоэлектроника, или, как теперь принято ее называть, – спинтроника, занятая изучением и практическими приложениями спина электрона.

В наше время спинтроника изучает магнитные и магнитооптические взаимодействия в металлических и полупроводниковых структурах, а также квантовые магнитные явления в структурах нанометрового размера. А началось славное шествие спинтроники с исследования магнитных и электрических свойств многослойных пленок, состоящих из чередующихся магнитных и немагнитных материалов.