Знание-сила, 2008 № 07 (973)

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»).

Двигаясь в кристаллической решетке в виде тока и сталкиваясь, как мы говорили, с атомами решетки, отдельные электроны то и дело рассеиваются в стороны. Это рассеивание электронов и есть сопротивление току. Но при этом происходит еще одно интересное явление. Так как электрон, приближаясь к атому, испытывает воздействие его магнитного поля, электронный спин каким-то образом ориентируется относительно этого поля. Оказывается, летя дальше, этот рассеянный электрон может передать свою ориентацию какому-нибудь другому атому решетки и в результате ориентировать его магнитное поле параллельно полю первого атома. Это параллельное выстраивание атомных полей именуется «магнитным спариванием», и, как мы видим, важнейшую роль в нем играют электроны, потому что именно они передают магнитное воздействие от атома к атому.

Оказывается — и именно это открыли Ферт и Грюнберг, — электроны способны передавать такое магнитное воздействие не только от атома к атому, но и от целого слоя ферромагнетика к другому слою. Благодаря этой передаче магнитное поле одного слоя может сориентироваться параллельно магнитному полю другого. Чтобы получить этот эффект, нужно два слоя ферромагнетика разделить прослойкой какого-нибудь неферромагнитного металла. Тогда можно намагнитить один слой как целое в одном направлении, а другой — в противоположном. Если потом пропустить по всему этому «сэндвичу» ток, то электроны в ходе своего движения начнут переходить из одного слоя в другой и очень быстро сделают их намагниченности параллельными, то есть произведут магнитное спаривание слоев.

Рисунки Н. Ершова

Нужно, однако, оговориться, что такое спаривание произойдет лишь в том случае, если электроны смогут достаточно легко проходить через прослойку, а это требует, чтобы ее кристаллическая решетка была достаточно близка к кристаллической решетке ферромагнетика. Таким сходством обладают, например, железо и хром: решетки у обоих простые кубические, а расстояния между атомами железа в его решетке примерно такое же, как между атомами хрома в его решетке. Но есть и второе ограничение. Толщина прослойки должна быть достаточно малой, потому что в противном случае электроны рассеются на атомах самой прослойки и не передадут во второй слой никакого воздействия от первого. Это условие выполнится, если толщина прослойки будет меньше длины свободного (без рассеивания) пробега электронов. А это значит, что прослойка должна иметь толщину не больше, чем несколько (2—3) атомных слоев, то есть быть нанометровой.

При выполнении обоих этих требований магнитное спаривание двух слоев «сэндвича» произойдет, и оказывается, что именно это тотчас вызывает появление желанного эффекта ГМР. Чтобы убедиться в этом, представим себе, что сначала два слоя нашего «сэндвича» намагничены в противоположных направлениях. Поскольку у электронов есть «спин», то есть своя магнитная стрелка, они в каждом слое разделяются на две группы: те, у которых спин (магнитная стрелка) имеет направление «ап», то есть параллелен намагниченности данного слоя, и те, у которых он «даун», то есть антипараллелен. Соответственно и электрический ток в каждом слое разделится на два тока — ток ап-электронов и ток даун-электронов. Так как атомы будут по-разному рассеивать электроны каждой из групп, сопротивление слоя прохождению аптока и даун-тока будет разное. Полное сопротивление слоя будет складываться из этих двух сопротивлений.

А суммарное сопротивление всего «сэндвича» легко подсчитать по школьным формулам сопротивления системы двух параллельных проводников.

Теперь посмотрим, что получится, если мы начнем протягивать наш «сэндвич» над какой-нибудь ячейкой жесткого компьютерного диска. Такая ячейка, как мы говорили в самом начале, имеет некоторую небольшую намагниченность. Поэтому она будет играть роль внешнего магнитного поля по отношению к обоим ферромагнитным слоям. Это внешнее поле прежде всего заставит весь первый, ближайший к нему слой намагнититься в параллельном ему направлении. Затем с помощью электронов, проходящих через прослойку, произойдет магнитное спаривание слоев, и второй, дальний слой установится параллельно первому. Но вот какая штука — оказывается, это изменение ориентации, вызванное магнитным спариванием, немедленно вызовет изменение суммарного сопротивления.