Страница 4 из 16
Еще в 1857 году английский физик лорд Кельвин обнаружил, что электрическое сопротивление меняется под воздействием магнитного поля. Если поле приложено вдоль проводника, сопротивление минимально и возрастает, если силовые линии магнитного поля направлены перпендикулярно проводнику.
Обнаруженный эффект оказался невелик и практического применения в то время не нашел. Но когда к концу XX века появилась техническая возможность создавать металлические пленки толщиной в миллиардную долю метра, то есть всего в несколько атомов, открытое Кельвином явление вдруг проявило себя совершенно по-новому.
В обычном проводнике, как известно, электрический ток передается электронами. И чем прямее их путь, чем меньше они рассеиваются на загрязняющих примесях и дефектах кристаллической решетки, тем ниже сопротивление.
Если проводник состоит из тончайших слоев, разделенных немагнитной прослойкой, и магнитные поля в соседних слоях направлены в одну сторону, сопротивление такого проводника тоже мало. Однако, если эти магнитные поля направлены противоположно, рассеивание электронов за счет квантовых эффектов на границах слоев резко увеличивается и сопротивление многократно возрастает. В этом и состоит суть эффекта, обнаруженного нынешними лауреатами в 1988 году.
Интересно, что до них в 1985 году аналогичную работу вел Чак Майкржак из Брунхевенской национальной лаборатории. Он заметил в «сэндвиче», состоящем из слоев ферромагнитного гадолиния и немагнитного иттрия, интересное явление.
Когда слой иттрия был толстым, то во всех прослойках гадолиния спины электронов направлены в одну и ту же сторону, то есть параллельны. А в «сэндвичах», где прослойки иттрия были тонкими, направления намагниченности гадолиния чередовались. Если бы Майкржак догадался замерить электрическое сопротивление такой структуры, автором открытия был бы он. Но он ограничился в 1986 году лишь публикацией статьи о замечен ном им эффекте. И честь первооткрывателей досталась нынешним нобелевским лауреатам.
Сначала они работали независимо друг от друга. Но, познакомившись в 1988 году на научной конференции по проблемам магнетизма в Париже, ученые стали информировать друг друга о проделанных исследованиях.
И хотя Фер работал с двухслойными «сэндвичами», а Грюнберг с трехслойными, нобелевский комитет наградил обоих.
Схема, показывающая суть эффекта GMR. Многослойный «сэндвич», состоящий из железа (обозначено зеленым) и хрома (серый цвет), может обладать высоким сопротивлением, если намагниченность слоев не одинакова (рис. А). И сопротивление становится низким, если намагниченность одинакова во всех слоях (рис. Б).
В конце ХХ века потрясающая чувствительность GMR к изменению поля была оценена по достоинству, и в 1997 году IBM создала первую считывающую головку, основанную на этом эффекте. Она получилась весьма компактной, обладала высокой избирательностью, что позволило значительно увеличить емкость носителей как оперативной, так и долговременной памяти в компьютерной технике.
Например, ныне уже созданы жесткие диски вместимостью 1 терабайт, или 1000 мегабайт. На практике это означает, что на таком диске можно записать, например, 200 полнометражных фильмов. А если сделать попытку записать тот же объем информации на обычных дискетах, то высота столба, составленного из них, достигнет… 2 км! Между тем, сейчас компьютерщики ведут разговоры о создании дисков вместимостью 4 терабайта…
Кроме того, с помощью технологии GMR удалось намного увеличить скорость считывания, а также записи информации в миллионах компьютерных систем.
И это еще не все. Нобелевская премия — уже пятая крупная международная награда, полученная исследователями за эту работу. Поскольку, как уже говорилось, эффект GMR наблюдается в материалах, состоящих из двух магнитных слоев, разделенных очень тонким немагнитным, то это свойство позволяет создавать ток не из простых, а из спин-поляризованных электронов.
Раньше спином электрона для наглядности называли свойство частицы крутиться в одну или другую сторону, словно волчок (отсюда, собственно, и название — spin в переводе с английского «вращаться»). Ныне же физики называют спином «собственный момент количества движения электрона или иной элементарной частицы, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого».
То есть, проще говоря, можно представить, что каждый электрон представляет собой как бы крошечный элементарный магнитик, «северный» конец стрелки которого совпадает с направлением спина.
Со спинами электронов связано такое интересное явление, как ферромагнетизм — способность материала становиться магнитом. Суть его в том, что в некоторых металлах — например, железе, хроме, никеле и гадолинии — электроны с одинаковым спином способны объединенными усилиями превратить в магнит атом, которому они принадлежат. А все атомы вместе делают магнитом и весь материал.
Для нас, впрочем, в данном случае важно то, что такая особенность может быть использована для создания еще более совершенных электронных схем.
Новая область науки, использующая спин в квантовых вычислительных системах, названа спинтроникой. По мнению многих экспертов, она позволит вскоре создать сверхмощные квантовые компьютеры, по сравнению с которыми современные вычислительные машины будут казаться столь же медлительными, как механические арифмометры по сравнению с электронными калькуляторами.
С. НИКОЛАЕВ
СТО ПЕРВАЯ НАГРАДА
К сказанному можно добавить, что данная премия — 101-я в истории Нобелевских премий по физике. (По разным причинам премии не присуждались в 1916, 1931, 1934 и 1940–1942 годах.) И впервые за многие годы среди лауреатов не оказалось физиков из США.
Первым лауреатом Нобелевской премии по физике стал в 1901 году Вильгельм Конрад Рентген, удостоившийся приза за открытие лучей, ныне носящих его имя. Отечественные ученые ждали первой премии еще 57 лет, зато в 1958 году за открытие и объяснение эффекта Черенкова ее получили сразу трое советских исследователей — Игорь Тамм, Илья Франк и, собственно, сам Павел Черенков.
Вообще, физики были наиболее удачливыми из отечественных ученых на нобелевском поприще — наша страна может похвастаться 10 лауреатами. Через четыре года после Черенкова и его коллег премию получил знаменитый теоретик Лев Ландау. Еще через два года академики Басов и Прохоров поделили с американцем Таундсом премию за создание лазера, а в 1978 году высшей наградой был отмечен патриарх советской физики Петр Капица.
Последними же лауреатами стали Жорес Алферов в 2000 году и Алексей Абрикосов вместе с Виталием Гинзбургом — в 2003-м.
Примечательно, что почти половина отечественных ученых, отмеченных Нобелевской премией (Абрикосов, Гинзбург, Капица и Ландау), получили ее за исследования в области низких температур. Кроме того, за работы в области классической физики получили премии лишь первые три лауреата. Работы остальных относятся к квантовой физике — теоретической или экспериментальной.
В нашей стране тоже ведутся работы по GMR. Однако у наших ученых попросту не хватает денег на развитие необходимых технологий.
Антинобель нашел своих героев
В октябре, как обычно, нобелевская неделя началась с объявления имен лауреатов Шнобелевских или Игнобелевских премий — наград за самые бесполезные научные достижения.