Журнал "Компьютерра" №706

Французский ученый Альберт Ферт родился в 1938 году и многие годы проработал в Южном Парижском университете в пригороде Орсэй, профессором которого является и поныне. Немец Петер Грюнберг на год моложе. Он профессор Института физики твердого тела в Юлихском исследовательском центре. Гигантский магниторезистивный эффект - сильную зависимость электрического сопротивления от внешнего магнитного поля в "бутербродах" из нанопленок железа и хрома - ученые обнаружили практически одновременно и независимо.

Обычную зависимость электрического сопротивления ферромагнитных материалов вроде железа от внешнего магнитного поля впервые наблюдал еще лорд Кельвин ровно 150 лет тому назад. Этот слабый эффект, менявший сопротивление примерно на один процент, использовали в магнитных головках жестких дисков и различных датчиках, однако уже в 1980-е годы стало ясно, что все мыслимые возможности повышения чувствительности уже исчерпаны. Поэтому открытие нового физического эффекта пришлось весьма кстати, и он быстро нашел путь к массовому производству.

Строго говоря, гигантская магниторезистивность - сложное квантовое явление, связанное с непрямым взаимодействием спинов ядер и электронов в близко расположенных слоях ферромагнетиков через спины электронов проводимости. Но его суть можно понять и на сильно упрощенной модели.

Рассмотрим два нанослоя магнитного материала железа, разделенные слоем немагнитного хрома [3]. Электрическое сопротивление в проводниках возникает в основном из-за того, что свободные электроны рассеиваются с прямого пути на атомах, отклонившихся со своего места из-за тепловых колебаний. В магнитных материалах электроны со спином, ориентированным вдоль направления намагниченности, рассеиваются заметно слабее, чем электроны с противоположно направленным спином. Поэтому после прохождения первого слоя в электрическом токе будут преобладать электроны с определенно направленным спином. Если следующий слой намагничен в ту же сторону, эти электроны и его пройдут почти без рассеяния, и электрическое сопротивление всего "бутерброда" будет мало [3a]. Но если второй слой намагничен в другую сторону, эти электроны в нем начнут активно рассеиваться, и полное электрическое сопротивление сильно возрастет, поскольку электроны с "правильным" спином уже почти все рассеялись в первом слое [3б].

 

Именно такой спиновый вентиль используется в считывающих магнитных головках жестких дисков. Намагниченность первого слоя в них фиксирована, а второй слой изготовлен из магнитомягкого материала, и направление его намагниченности легко изменяется слабым полем активного слоя на поверхности пластины жесткого диска. По сути дела, эти магнитные головки являются первыми спинтронными устройствами, нашедшими действительно массовое применение. А поскольку толщина слоев должна быть порядка нанометров, иначе электроны по пути "забудут" свой спин, это одно из первых массовых применений нанотехнологий.

Открытие гигантского магниторезистивного эффекта стимулировало массу новых исследований. Если слой немагнитного материала заменить тонким слоем диэлектрика, сквозь который электроны смогут туннелировать, то можно наблюдать туннельный магниторезистивный эффект, величина которого, как показывают недавние результаты, на порядок больше.

Основанная на этом эффекте энергонезависимая магнитная память с произвольным доступом (MRAM) уже появилась на рынке. В некоторых материалах наблюдается так называемый колоссальный магниторезистивный эффект, который еще на порядок больше (но пока он требует слишком сильных магнитных полей). Впрочем, сегодня трудно предвидеть, какие компьютерные технологии появятся благодаря этому открытию.

Химия

Нобелевская премия по химии досталась Герхарду Эртлу (Gerhard Ertl [4], 1936 года рождения) из берлинского института Фрица-Габера "за изучение химических процессов на поверхностях твердых тел".

Одним из важнейших направлений в этой области химии является гетерогенный катализ, чрезвычайно широко применяющийся в промышленности. Например, процесс получения аммиака путем взаимодействия азота и водорода с использованием железа в качестве катализатора является основой для синтеза азотсодержащих удобрений (он был открыт немецкими химиками Фрицем Габером и Карлом Бошем, за что Габер удостоился Нобелевки по химии в 1918 году).

Гетерогенный катализ заключается в ускорении химических реакций чаще всего между газообразными или жидкими реагентами на поверхности твердого катализатора. На первой стадии происходит адсорбция молекул реагентов на поверхности катализатора. Дальнейшее взаимодействие катализатора и молекул реагентов приводит к активации последних и облегчает протекание реакции. В деле синтеза аммиака заслугой Эртла является исследование механизма процесса Габера-Боша и его лимитирующей (самой медленной) стадии. Снижение потенциального барьера лимитирующей стадии позволяет ускорить весь процесс.