Знание-сила, 2008 № 07 (973)

Это открытие имеет прямое отношение к заявленной здесь теме, о чем авторитетно свидетельствует хотя бы решение Нобелевского комитета, где прямо говорится, что работа Ферта и Грюнберга привела к таким техническим результатам, которые «могут рассматриваться как одно из первых крупных достижений нанотехнологии». И в то же время это открытие как раз таково, что его фантастичность, с одной стороны, и величайшее практическое значение, с другой, сразу понятны всем, даже без долгих разъяснений. Ибо речь идет об открытии эффекта, сделавшего возможным создание тех жестких дисков емкостью в терабайты (тысячи гигабайтов), на которых работают все современные компьютеры. Думается, к этому ничего больше добавлять не надо. Понимающему — достаточно. Sapienti — sat.

Эффект, открытый Фертом и Грюнбергом, называется довольно просто: «Гигантская магниторезистентность (ГМР)», что сокращенно означает «гигантский ответ электрического сопротивления на самые небольшие изменения магнитного поля». Здесь опять «понимающему—достаточно», ибо, как многим известно, информация, с которой мы работаем в наших компьютерах, записывается в них на жесткий диск с помощью намагничивания. Сначала вся эта информация (в виде слова, звука или изображения) превращается в так называемую дигитальную форму, то есть в последовательность нулей и единиц, а потом специальное устройство превращает ее в последовательность по-разному намагниченных микроячеек на жестком металлическом диске, покрытом ферромагнитным материалом. Скажем, все ячейки, в которых намагниченность имеет такое-то направление, — это «нули», а все ячейки, в которых другое, — это «единицы».

Чтобы прочесть записанную таким манером информацию, нужна специальная микроголовка, которая проходила бы над каждой такой (затребованной нами) ячейкой диска и реагировала бы на величину намагниченности этой ячейки. Не будем вдаваться в тонкости той электроники и механики, которая управляет почти «мгновенным» (порядка 10 миллисекунд) нахождением требуемого участка на диске, перемещением туда считывающей головки, считыванием всех нужных ячеек и передачей считанной информации в оперативную память. В удивительном по тонкости технологическом комплексе главную роль играет все-таки сама считывающая головка, ибо без нее вся эта электроника и механика ни к чему; ею и займемся.

В первых компьютерах считываю - щая головка работала на основе известного всем явления электромагнитной индукции (меняющееся — при проползании диска под головкой — магнитное поле ячеек вызывало переменное электрическое поле в самой головке). Этот метод был очень груб, и его вскоре заменили так называемым «магниторезистивным методом (МР)». Явление магниторезистивности открыл еще в 1857 году английский физик лорд Кельвин — тот, в чью честь названа абсолютная шкала температур. Он обнаружил, что электрическое сопротивление проводника уменьшается (а ток в нем соответственно увеличивается), если на проводник действует внешнее магнитное поле, силовые линии которого идут в том же направлении, что и ток. Если же поле перпендикулярно току, сопротивление, наоборот, увеличивается (а ток соответственно уменьшается).

Это явление получило название «анизотропная (зависящая от направления) магниторезистентность», сокращенно МР. Легко понять, что когда считывающая головка с идущим в ней током проходит над намагниченным диском, каждая ячейка такого диска играет для головки роль внешнего магнитного поля. И поскольку от одной ячейки к другой направление этого поля (намагниченность ячейки) меняется («единицы» и «нули» чередуются в какой-то последовательности), будет меняться — в силу эффекта Кельвина — также электрическое сопротивление головки, а, следовательно, и величина тока. Эти колебания тока можно превратить вновь в слова, звуки и изображения, тем самым «прочитав» затребованную информацию.

Петер Грюнберг и Альберт Ферт

Альберт Ферт и его коллега из России

Увы, с течением времени аппетиты компьютерных пользователей росли, и возникла необходимость размещать на диске не кило- и даже не мега-, а гигабайты информации, и к тому же при минимально возможных размерах самого диска, чтобы он умещался в небольших, но весьма важных и нужных компьютерных приборах вроде лэптопа или эм-пэ-три. А оба эти требования могли быть удовлетворены только одним способом — максимальным уменьшением размеров каждой «дигитальной ячейки» на диске. Но при очень малом размере ячейки ее общая намагниченность тоже становится очень малой, и тогда различие между намагниченностями двух соседних ячеек становится практически невозможно уловить — эффект МР не имеет для этого достаточной чувствительности. При таких малых изменениях внешнего магнитного поля изменения тока в считывающей головке становятся неотличимы от случайного «шума».

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.