Француз Альбер Ферт (зліва) і німець Петер Грюнберг (справа).
Фотографії взято із сайтів nobelprize.org, www.wdr.de, www.cbsnews.com, www.cbc.ca
Нобелівська премія з фізики 2007 року була присуджена Петеру Грюнбергу (Peter Grünberg) і Альберту Ферту (Аlbert Fert) за відкриття гігантського магнітоопору. Якщо цю складну і зачаровану назву розібрати на частинки, то картина вийде проста, на перший погляд — навіть занадто проста. Однак за цією простотою стоїть цілий ланцюжок цікавих і складних явищ.
Усім добре знайоме поняття електричного опору — це здатність матеріалів заважати (перешкоджати) протіканю електричного струму. Якщо провідник із струмом помістити у зовнішне магнітне поле, то воно трохи змінить електричний струм — так, немов би під дією магнітного поля змінився електричний опір матеріалу. Ця зміна називається магнітоопором; відкрите воно було досить давно, 150 років назад, коли люди ще не знали, звідки взагалі береться опір.
Самий же зв'язок електричного струму і магнітного поля був давно відкритий і вивчений, тому на даний момент нікого не здивував би. Зверніть увагу на ключеве слово у відкритті, яка відмічене Нобелем-2007, — це слово «гігантський». Справа в тому, що за більш ніж вікову історію вивчення електромагнітних явищ у самих різнотипних речовинах величина магнітоопору ніколи не перевищувала декількох процентів — у звичайних матеріалах більшому магнітоопору немає звідки взятися.
Розпочати розповідь варто з того, звідки береться звичайний електричний опір в металах. Найдивовижніший факт, що стосується опору полягає в тому, що його неможливо зрозуміти без квантової механіки.
Лише після того, як учені навчилися створювати принципово нові матеріали, до яких сама природа не додумалася, стало ясно, що в них можуть приховуватися фізичні явища, що здавалися раніше неможливими. Спостереження Грюнбергом і Фером гігантського магнітоопору в нових шарованих матеріалах, відмічене Нобелівською премією-2007, стало одним з яскравих прикладів того, як людина перевершила винахідливість природи.
Електричний струм в металах — це потік вільних (не зв'язаних з конкретними атомами) електронів. Виникає він тому, що кусок металу знаходиться під напругою — тобто всередині нього виникають електричні сили, які і приводять електрони в рух. Опір провідника виникає із-за того, що при своєму русі електрони наштовхуються на перешкоди, постійно збиваючись з того курсу, на який їх направляє електрична сила.
Не варто уявляти собі цей процес так, немов електрони розганяються, стукаються об атоми, зупиняються і знову розганяються. Насправді електрони усередині металу рухаються завжди, навіть без зовнішнього електричного поля і навіть при нульовій температурі, і причому з досить великою швидкістю. Цей невпинний рух електронного газу всередині металу виникає із-за принципу Паулі — найважливішого квантового закону, який забороняє двом або більше електронам займати однаковий квантовий стан. В даному випадку це означає, що електрони не можуть мати дуже близькі значення енергії, а отже, вони не можуть всі зупинитися. В результаті електрони в металі володіють всеможливими енергіями — від нуля і до деякої величини, яку називають енергією Фермі.
«Перешкоди», на які наштовхуються електрони, — це зовсім не атоми. Насправді, атоми для електронів провідності взагалі прозорі — якщо, звичайно, вони розташовані у вигляді строгої періодної решітки (це — прояв хвильової природи електронів, тобто ще одне чисте квантове явище). Наштовхуються ж електрони на неоднорідність, порушення строгої періодичності — наприклад, на дефекти кристала, на домішкові атоми або просто на теплові коливання.
Якщо прикласти напругу, то на швидкий безладний рух електронів накладеться повільне зміщення під дією зовнішніх електричних сил. Цей повільний дрейф і є електричним струмом. Тут має місце важливий момент: приймати участь в цьому русі можуть далеко не всі електрони, а тільки дуже невелика їх частина — лише ті, які володіють енергією, близькою до максимальної (тобто до енергії Фермі). Якщо таких електронів багато, то струм тече великий, а це означає, що опір маленький. Якщо таких електронів мало, то струм виходить малий, тобто матеріал чинить більший опір.
У електрона є ще одна характеристика (і також квантова!), яка до сих пір не згадувалася, — спін. Як і багато квантових характеристик, спін буває не будь-який, а строго визначений. Якщо вибрати якийсь напрям, то у спі електрона може бути орієнтованим за цим напрямком або проти нього — умовно кажучи, вверх або вниз.
У більшості речовин орієнтація спіна ніяк не відображається на електричному струмі — тому в електротехніці про спін електрона взагалі не згадують. Однак для явища гігантського магнітоопору власне спін буде відігравати ключову роль. Саме це відкриття, власне, стало моментом народження нової галузі електроніки — спінтроніки, в якій спін електрона така ж важлива характеристика, як і його заряд.
Відмінною особливістю спіну є його зв'язок з магнітним полем. Спін не тільки примушує частинку відгукуватися на магнітне поле, але і сам його породжує. Зокрема, магнетизм у феромагнетиках (їх в повсякденному житті називають просто магнітами) якраз виникає через те, що спіни всіх іонів заліза шикуються в однаковому напрямі. Крім того, саме по собі існування великого спіну в іонax перехідних металів ще зобов'язане одному відомому закону — першому правилу Хунда, яке також відноситься до квантової механіки.
Тепер спробуємо уявити, що електрони провідності відчувають, знаходячись у феромагнетику. Магнiтне поле всередині металу впливає на електрони, і причому цей вплив є різним для спінів орієнтованих за полем і проти поля. Це трохи зсуває їх енергії, і в результаті кількість електронів біля енергії Фермі із спином вверх і вниз виходить різна.(Див. рис. 1)
|
В результаті виникає трішки незвична картина. Електричний струм у феромагнітному металі складається з двох різних, але ретельно перемішаних потоків — потоків електронів із спiном за напрямком намагніченості і проти напрямку. Ці два типа електронів "відчувають" з боку металу різний опір — ті, які орієнтовані проти поля, рухаються більш вільніше, ніж ті, які орієнтовані навпаки.
Підкреслимо, що у звичайному мідному дроті такого розділення немає — ця картина специфічна саме для феромагнетиків, наприклад, для намагніченого шматка заліза. Вона була підтверджена експериментально не так давно, в статті 1968 року. Серед авторів цієї статті був і Альбер Фер — один із лауреатів Нобеля-2007. І хоча від тої статті і до робіт з гігантського магнітоопору повинно було пройти ще 20 років, але загальне розуміння електричних явищ у феромагнетиках складалося власне тоді.
Отже, «внутрішній світ» феромагнетика виявляється дуже багатим, але поки не видно способу як ним скористатися для маніпуляції опором зразка. Адже якщо метал феромагнітний, то він таким залишається і при дії зовнішніх полів, хіба тільки у нього може змінитися напрям намагніченості. Тут-то і прийшли на допомогу нові штучні матеріали, що не існують в природі — надрешітки. Як виявилось, саме в них можна керувати не просто величиною намагніченості, а характером магнітної впорядкованості, і вже через неї — електричним опором.
Надрешітка — це шарований кристал, що складається із шарів, які чергуються, то з одного, то з іншого матеріалу товщиною всього в декілька атомів. Приставка «над» відображає тут наявність періодичної структури ще більшого розміру, ніж період кристалічної решітки (Див. рис. 2).
 Рис. 2. Надрешітка — це шари, що чергуються, товщиною в декілька атомів різних матеріалів із схожою кристалічною структурою (Зображення з брошюри Нобелівського комітету, що описує науковий бік ефекту) |
Виготовлення таких шарів — технологічно непросте завдання. Їх вирощують в глибокому вакуумі, напилюючи на підкладці шар за шаром потрібної речовини. Обидва типу речовин, а також сама підкладка, повинні володіти схожими кристалічними решітками — інакше шарування буде різноплановим, а це самим негативним чином позначиться на протіканні через неї електричного струму. Окрім цього, треба стежити, щоб атомарні шари напилювалися рівно, щоб не було горбиків і западин, і щоб шари різних речовин рівно накривали один одного, не перемішуючись. Нарешті, в нашому випадку потрібно ще і контролювати магнітні властивості зростаючих шарів, для чого застосовується цікавий ефект — розсіювання світла спіновими хвилями (див. Гуревіч А.Г. Спінові хвилі // СОЖ, 1997. № 9, с. 100–108).
Як тільки вчені навчилися виготовляти різні шари, вони принялися експериментувати з різними комбінаціями матеріалів, в тому числі і з шарами, що чергуються, у феромагнетиках і немагнітних металах. В ході цих досліджень з'ясувалася одна цікава річ. Якщо правильно підібрати матеріал для немагнітних шарів і його товщину, то магнітні шари будуть володіти «протиприродною» для феромагнетика тенденцію чергування орієнтації намагніченості (Див. рис. 3 зліва), зокрема, в шарах залізо–хром, які досліджував Петер Грюнберг (другий нобелівський лауреат-2007) разом із своїми співробітниками в 1986 році. Цікаво, що їх стаття з цими результатами цитується навіть більше, ніж робота 1988 року про відкриття гігантського магнітоопору.
|
Доречі, не варто думати, що всі такі відкриття робляться автоматично. У Грюнберга був шанс «переглядати» ці чудові властивості шарованого заліза–хрома. Його група вивчала також і шарування заліза–золота, і ось в них нічого подібного знайдено не було. Якби дослідження обмежелося тільки ними, то відкриття ефекту, можливо, затрималося б на довгий час.
Останнє, що тут потрібно пояснити, — це як таке шарування перебудовується під дією зовнішнього магнітного поля. Магнітне поле, як відомо, здатне перемагнітити «неправильно» орієнтований феромагнетик. Тому якщо таке шарування помістити у достатньо сильне магнітне поле, то воно примусить всі шари заліза розвернутися в одному напрямку, як показано рис. 3 справа. Якщо ж поле забрати, то чергування шарів знов відновиться. Так у експериментаторів з'явилася можливість легко змінювати тип магнітної впорядкованості.
|
Коли всі ключові аспекти розписані, залишається розібратися з тим, що відбувається з електричним струмом, який тече крізь таке шарування упоперек шарів.
У відсутність зовнішнього магнітного поля шари заліза намагнічені у напрямках, що чергується. Рухаючись упоперек шарування, електрони із спином "вверх" відчувають великий опір усередині шарів з магнітним полем "вверх", але слабкий опір усередині шарів з магнітними полем "вниз". Для електронів із спином "вниз" все в точності навпаки. Оскільки і тих, та інших шарів — однакове число, то обидва сорти електронів опиняються в рівноправній ситуації.
Якщо ж прикласти зовнішнє поле і вирівняти намагніченість всіх шарів, то електрони двох типів опиняться в різних умовах. Електрони, орієнтовані за полем, всюди, у всіх шарах, "відчують" великий опір, тобто їхній внесок в струм зменшиться. В той же час електрони, що орієнтовані в протилежному напрямі, "відчують" всюди маленький опір. Іншими словами, для таких електронів шарування виглядає як коротке замиканн, і струм, що створюється ними помітно зростає. У скільки саме раз зменшиться струм із спіном за полем і збільшиться струм із спіном проти поля — залежить від властивостей речовини, але в будь-якому випадку збільшення "пересилить" зменшення струму, і в результаті сумарний опір зменшується.
Цю задачку неважко порахувати і кількістно — вона буде по силам навіть школяру, який вміє «додавати опори». Потрібно лише уявити собі, що два типи електронів працюють як дві паралельні ділянки електричного кола (не дивлячись на те, що течуть вони крізь одну і ту ж шаровану структуру). Усі наводящі роздуми і позначення показані на рис. 4.
Першопочаткові експерименти Ферта показали зменшення опору зразка майже в два рази. Правда, такий результат був досягнутий лише з використанням сильних магнітних полів і при дуже низькій температурі, всього 4,2 градуса вище абсолютного нуля. У експериментах Грюнберга при кімнатній температурі зміна опору була набагато скромніша, всього півтора відсотки — і тим дивовижніше, що майбутній Нобелівський лауреат розгледів в цьому принципово новий ефект. Декілька років досліджень дозволили добитися зменшення опору у два рази вже при кімнатній температурі і набагато слабших магнітних полях.
На гігантський магнітоопір корисно подивитися ще і ось з якої точки зору. Саме явище формулюється досить просто і виглядає дуже природньо: електричний струм і магнітне поле — це класична фізика XIX століття. Однак реальні мікроскопічні причини, що призводять до такого цікавого ефекту, дуже непрості і багатократно спираються на квантову механіку. Можна навіть відмітити, що в цьому явищі використовуються всі три принципові новшества квантової механіки у порівнянні з класичною фізикою — хвильова природа, тотожність і спін частинок.
Напрошується також і паралель ще з одним електромагнітним явищем із схожою природою — ефектом Холла. Цей ефект також виникає при протіканні струму в магнітному полі, він також був відкритий у XIX столітті, і з приходом квантової механіки в ньому також відкритий цілий пласт нових ефектів. Тільки, на відміну від магнітоопору, ефект Холла привів вже додвох Нобелівських премій з фізики — за 1985-й і за 1998 рік.
До речі, у магнітоопору є реальний шанс поквитатися. На черзі стоїть колосальний магнітоопір — явище зовсім іншого рівня складності, детальне розуміння якого поки що вислизає від дослідників.
У об'яві Нобелівського комітету премії з фізики за 2007 рік дуже багато уваги виділяється тому, що використання ефекту гігантського магнітоопору призвело до різкого збільшення густини запису на жорстких дисках. Зв'язок дуже простий — шарування з гігантським магнітоопором є досить компактним, швидким, чутливим і, накінець, дуже простим датчиком магнітних полів. Будучи розташованою над пластиною жорсткого диска, що швидко обертається, таке шарування слухняно відстежує магнітні поля пролітаючих під нею бітів і відразу ж переводить їх в електричний струм.
Проте декілька пригнічує те, що численні ЗМІ, стискуючи всі повідомлення в одну фразу, повністю викидають саму суть відкриття, залишаючи лише його «споживчу» сторону. З численних заголовків витікає, що премія дана за нанотехнології або навіть за зменшення розмірів жорстких дисків.
Насправді, в своїх статтях про відкриття явища гігантського магнетоопору майбутні Нобелівські лауреати писали про практичні застосування лише в найзагальніших словах. Вони ні в якій мірі не були націлені саме на яке-небудь конкретне практичне застосування — вони вивчали новий магнітний ефект. І премія була дана саме за наукову сторону справи, а не за впровадження цього ефекту в ІT-технології.
Звичайно, це не значить, що автори взагалі не здогадувалися про можливі застосування — адже недаремно Петер Грюнберг запатентував технологію створення магнітних датчиків з використанням ефекта гігантського магнетоопору. Вони чудово розуміли, що в сучасному високотехнологічному світі всякий принципово новий матеріал рано чи пізно знайде своє практичне застосування. Власне така ж цікавість рухає зараз дослідників, які вивчають, скажемо, метаматеріали з чудовими оптичними властивостями. Ми можемо бути абсолютно впевнені, що вони знайдуть собі різноманітні застосування, хоча зараз і важко передбачити які саме.
За відкриття гігантського магнітоопору послідовало відкриття інших схожих ефектів і бурхливий розвиток всієї області. Оптимізувавши схему шарування, дослідники придумали «спіновий вентиль» (див. подробиці в статті Епоха гігантських ефектів) — власне він і використовується зараз в головках жорстких дисків (див. пояснення і анімацію на сайті IBM).
При заміні немагнітного металу ізолятором з'явився ефект тунельного магнітоопору, на основі якого зараз створюють енергонезалежну магніторезистивну пам'ять (MRAM, Magnetoresistive Random Access Memory).
Накінець, фізики звернули свою увагу і на «природно-слоїсті» матеріали. Власне в такому матеріалі — манганіті лантана — був у 1994 році відкритий новий, більш сильний ефект — колосальний магнітоопір, причина якого поки не з'ясована до кінця, але сенсорт на основі якого вже також запатентовані.
Оригінальнi статті про відкриття ефекту гігантського магнітоопору:
1) A. Fert et al. Giant Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic Superlattices // Phys. Rev. Lett. (1988). V. 61.
P. 2472–2475.
2) G. Binasch, P. Grünberg, F. Saurenbach, W. Zinn. Enhanced magnetoresistance in layered magnetic structures with antiferromagnetic interlayer exchange // Phys. Rev. B (1989). V. 39.
P. 4828–4830.
Обидві статті лежать у відкритому доступі.
Див. також: С. А. Нікітін. Гігантський магнітоопір // Соросівський освітній журнал. 2004. № 2, с. 92–98.
Валерій Семенюк
* В науковому світі більш широко поширений напис магнітоoпір (через i). Фізичні словники і енциклопедії дають напис через е.
(Зображення з статті С.А.Нікітіна Гігантський магнітоопір із Соросівського освітнього журналу)