Знание-сила, 2008 № 07 (973)

На протяжении ряда лет физики в разных странах пытались повысить чувствительность метода МР, но все эти попытки были безуспешны, и, как стало ясно впоследствии, иначе быть не могло, потому что такое повышение требовало перехода от МР к иному, принципиально новому методу считывания, а это — что-то вроде перехода от винтовой тяги к реактивной. Как показали в своих экспериментах Ферт и Грюнберг, хотя желанный сверхчувствительный метод существует, но проявляется он только при особых условиях, особом устройстве считывающей головки, когда она имеет вид «сэндвича», между двумя ферромагнитными слоями которого имеется тончайшая — нанометровая! — прослойка другого, не магнитного металла. Действительно, когда в 1988 году, после многих лет поисков, Ферт и Грюнберг пришли к такой структуре и уменьшили толщину хромовой прослойки между двумя слоями железа до 9 нанометров (толщина трех атомов хрома!), их система отреагировала на небольшое изменение внешнего магнитного поля гигантским в сравнении с «кельвиновскими» головками изменением сопротивления — на 6% в опытах Грюнберга и на целых 50% (!) в опытах Ферта. Это открытие положило начало новой эре в электронике.

Сегодня подобраны уже и такие пары материалов для слоев и прослойки, которые дают скачок сопротивления и тока даже на 150 — 200%, а для определенных веществ — и на 1000% (этот последний эффект получил название «колоссальной магниторезистентности», но пока применять его в компьютерном деле оказалось невозможно из-за большой неустойчивости результатов). Но за Фертом и Грюнбергом по-прежнему остается пальма первенства революционного прорыва. При этом они не только открыли этот эффект, но и осознали его как новый, не похожий на эффект Кельвина (Грюнберг даже сразу запатентовал его). И это тоже было очень важно, потому что аналогичные эффекты наблюдали и некоторые другие исследователи, но те приняли их за ошибку измерения.

Следует, однако, заметить, что открытие Ферта — Грюнберга, несмотря на осознание всей его новизны и значения, тоже не сразу произвело практический переворот в компьютерной технике. Этим переворотом, которым мы так широко и благодарно пользуемся сегодня, мы обязаны двум группам ученых из лабораторий фирмы IBM под руководством Стюарта Паркина и Брюса Гурнея. Они на протяжении последующих десяти лет провели десятки тысяч (!) исследований различных пар материалов, толщин прослоек, условий считывания и тому подобное, открыли по пути важные закономерности нового эффекта и нашли оптимальные практические параметры для будущих считывающих головок (которые получили название «спин-клапаны»). Только в результате всей этой огромной серии научнотехнологических исследований фирме IBM удалось в 1998 году выйти на рынок с новым жестким диском феноменальной для того времени емкости — 16,8 гигабайт. Именно этим годом следует датировать ту революцию в компьютерной технике, которая продолжается и поныне.

Теперь, когда пожелания читателей, жаждавших конкретного примера нанотехнологических чудес, надеюсь, удовлетворены, остается еще сущий пустяк — объяснить, почему же в нанометровом «сэндвиче», в отличие от сплошного куска проводника, появляется чудодейственный эффект ГМР; какую роль в этом играет тот факт, что прослойка «сэндвича» именно нанометровая, и какое отношение ко всему этому имеет загадочный термин «спин»? Это объяснение требует прежде всего присмотреться, что происходит в проводнике, когда по нему идет электрический ток. Ток — это поток электронов, которые в металле обобществлены, «принадлежат» всему куску металла сразу. Они плывут под действием электрического напряжения в какую-то сторону, то и дело встречая на пути атомы металла, стоящие в узлах кристаллической решетки и сталкиваясь с ними.

Если металл — ферромагнетик, вроде железа, то его атомы имеют особые магнитные свойства: каждый атом подобен магнитной стрелке компаса, которая глядит в определенном направлении. Электроны же, как это было установлено еще лет сто назад, тоже имеют магнитные свойства и тоже подобны магнитным стрелкам, только крохотным, и эта их стрелка, попав в любое внешнее магнитного поле, способна устанавливаться, как показали исследования, в двух и только в двух направлениях — по линиям этого поля или против них. Вот эту особую электронную магнитную стрелку и называют «спин». Вообще-то магнитные свойства есть и у многих других микрочастиц, и у всех они называются «спин», но у каждой он свой. Электронный «спин», то есть электронный магнитик, отличается как раз тем, что имеет, как уже сказано, только две возможные ориентации (их иногда обозначают словами «ап» и «даун» по английским словам «вверх» и «вниз»).