Нобелова награда за Физика 2007

Нобеловата награда за физика тази година бе присъдена на Албер Фер и Петер Грюнберг за откритото от тях явление “гигантско магнетосъпротивление”. Откритието им е революционно, както по отношение на вече прилаганите технологии за четене на данни от твърди дискове, така и за развитието на електронни устройства от ново поколение. Може да се каже, че използването на гигантското магнетосъпротивление е първото голямо приложение на технологиите.

Откритието

Постоянно нарастващите потребностите на съвременния човек, налагат използването на все по-малки и лесно преносими електронни устройства, които обаче трябва да съхраняват и обработват все по-голямо количество информация, при това за по-кратко време. Информацията се съхранява на твърди дискове под формата на намагнетизирани в различна посока полета – едната посока съответства на двоичната “0”, а другата на “1”. Достъпът до информацията, записана върху даден диск се осъществява от четяща глава - тя сканира повърхността на твърдия диск, в резултат на което в нея се индуцира електрически ток, силата на който се определя от вида на записа (0 или 1).

Съвременната технология за четене на данни се основава на физичния ефект, открит преди 20 години от днешните лауреати на Нобеловата награда за физика. Французинът Албер Фер и немският му колега Петер Гюнберг, по едно и също време, и независимо един от друг откриват така нареченото гигантско магнетосъпротивление.

Магнетосъпротивление и гигантско магнетосъпротивление

Историята на магнетосъпротивлението е поставена от Лорд Келвин през 1856та година. С този термин се обяснява свойството на определени материали да променят електрическото си съпротивление при прилагане на магнитно поле отвън. С помощта на известните тогава материали, лорд Келвин успява да постигне едва 5% изменение на съпротивлението. По-късно откритият от него физичен ефект е наречен обикновено магнетосъпротивление.

В металните проводници, електричеството е движение на, т.нар. свободни електрони, които могат да преминават свободно през кристалната решетка на материала. Електрическиият ток представлява насочено движение на електроните, при което колкото по-праволинейно е тяхното движение, толкова по-голяма е електрическата проводимост на материала. Електрическото съпротивление се дължи на дефекти в кристалната решетка, които възпрепятстват праволинейното движение на електроните.

За разлика от „обикновения” си роднина, гигантското магнетосъпротивление дава възможност за постигане на значително по-големи изменения в електрическото съпротивление на материалите. За целта, обаче е необходимо наличието на изключително тънки структури, състоящи се от редуващи се феромагнитни и антиферомагнитни метални слоеве. Квантово-механичен по своята същност, този ефект става реално използваем едва след овладяването на производството на фини метални структури с дебелина от порядъка на нанометри.

Във феромагнитните материали разпръскването на електроните се влияе от посоката на намагнетизиране. Силната връзка между намагнетизиране и съпротивление, която се наблюдава при гигантското магнетосъпротивление, възниква заради специфичното въртене на електрона, което индуцира магнитен момент – или така наречения „спин”, квантово-механично свойство. При феромагнитните материали спинът на повечето електрони е ориентиран паралелно на магнитното поле. Малка част от тях, обаче, винаги са ориентирани антипаралелно. Това от своя страна означава, че различният спин определя едно по-голямо съпротивление - по-голяма степен на разпръскване на електроните при съприкосновението им с дефекти в кристалната решетка, а така също и при преминаването им от един материал в друг.

Точно тази особеност на материалите прави възможно и контролирането на съпротивлението в една система, състояща се от два тънки феромагнитни слоя, които са разделени с един антиферомагнитен пласт. Ако двата магнитни слоя притежават една и съща посока на магнитното поле, то електроните с паралелен на това поле спин, преминават през системата без значително разпръскване, което от своя страна означава и по-малко съпротивление. В обратния случай, когато посоките на магнитното поле в двата феромагнитни слоя са различни, разпръскването и на двата вида електрони в един от слоевете е голямо, което означава и по-голямо съпротивление.

Как работят четящите глави?

Какво е мястото на гигантското магнетосъпротивление при конструирането на четящите глави за съвременните твърди дискове? В четящата глава, едниният феромагнитен слой има фиксирана оприентация на магнитното поле, а другият, този разположен в близост до повърхността на твърдия диск, променлива. В хода на сканиране, оринетацията на полето в променливия слой се сменя в зависимост от полето на дадения участък на твърдия диск. По този начин, в определени моменти двата феромагнитни слоя в четящата глава ще имат паралелна ориентация на магнитното поле, в други – противоположна. Това от своя страна ще доведе до промяна на съпротивлението, а от там и на силата на тока в четящата глава, Голямото отклонение в електрическото съпротивление, което се гарантира от гигантското магнетосъпротивление, прави възможно постигането на значително по-големи разделителни способности при четене от твърди дискови устройства. Това от своя страна означава по-голяма гъстота на запис, респективно по-голям капацитет.

Електроника от ново поколение – спинотроника

Технологията, използваща гигантското магнетосъпротивление за четене на информационни пакети с голяма плътност, дава тласък не само за развитието на информационните технологии. На нея може да се гледа като първа стъпка в развитието на електроника от ново поколение, наречено спинотроника. Характерно за спинотрониката е използването на електронния спин, а не само електрическия заряд, както при традиционната електроника. Развитието на спинотрониката е възможно благодарение на развитието на нанотехнологиите. Тъй като посоката на електронния спин може да се поддържа само на много малки разстояния - при преминаване през дебели слоеве, посоката на спина се променя и става невъзможно да се използуват свойствата на отделните електрони, имащи различен спин (да се регистрира високо и ниско съпротивление) – спинотрониката се основава изключително на работа с материали със свръх-малки размери.

Тунелно магнетосъпротивление

Много скоро след откриването на гигантското магнетосъпротивление е била конструирана друга подобна система, при която между двата слоя от намагнитизирващ се метал, се поставя слой от изолационен материал. Електрическият ток не може да протече през изолационния материал, но ако той е достатъчно тънък, електроните могат да преминат през него, подобно на преминаване през тунел. Ефектът е познат под името тунелен ефект - квантово-механичен ефект на преминаване през класически забранено енергийно състояние (енергетична бариера). Тази нова система се нарича тунелно магнетосъпротивление. Използването на тунелното магнетосъпротивление дава възможност да се създадат по-големи съпротивителни разлики с много слаби магнитни полета от колкото при „стандартното” гигантско магнетосъпротивление и именно този ефект се използва в най-новото поколение четящи глави.

Вече е разработено и едно друго приложение на спинотрониката, а именно памет, работеща на магнитен принцип, наречена MRAM. В конвенционалната RAM памет на компютрите се съхранява информацията, обработвана по време на работа. В този вид памети съхранението е само временно. Постоянно съхранена е само информацията, записана на твърдия диск. Характерното за MRAM е, че се използва тунелното магнетосъпротивление както за четене, така и за запис на информация, което позволява тази памет да се използва както за опертавина, така и за постоянна памет, независеща от ел. захранване на компютъра. Това означава, че MRAM се превръща в универсална памет, която може да замести както RAM паметта, така и твърдия диск.

Работата на Албер Фер и Петер Грюнберг е отличена от Нобеловия комитет заради революционния си ефект върху развитието на съвременните наука и технологии. Откриването на гигантското магнетосъпротивление дава основите за развитието на една съвсем новата технологична област – спинотрониката, а спинотрониката, от своя страна, осигурява тласък за развитието на нанотехнологиите. Всичко това е още едно потвърждение на факта, че фундаменталната наука и технологиите се преплитат и взаимно се стимулират.

Албер Фер, роден през 1938 г, в гр. Каракасон, Франция. Защитил докторската си дисертация в Университета Париж-Сюд, Орсе, Франция. Професор в Университета Париж-Сюд, Орсе, Франция от 1976 г.

Петер Грюнберг, роден през 1939 в Пилзен, Германия. Защитил докторската си дисертация в Техническия университет в Дармщат, Германия. Професор в Институа за изследване на твърди тела, Изследователски център Юлих, Германия от 1972 г.