Магнетизм электричества

Знакомьтесь, спинтроника — молодая и перспективная область физики конденсированного состояния и ее технических приложений, которая в центре своих интересов держит спиновый момент электронов проводимости. Согласно смелым планам исследователей, развитие спинтроники приведет к появлению нового типа электронных устройств, в которых за перенос заряда, то есть за электрические токи, отвечает не только электрическое, но и магнитное поле. Такой способ управления токами представляется более надежным в условиях высоких температур, а устройства теоретически обещают быть меньше, быстрее и эффективнее своих электрических аналогов. Вместе с экспертами из Уральского федерального университета мы решили разобраться в настоящем и будущем спинтроники.

Электрон, как известно, обладает не только электрическим зарядом, но и спином — собственным механическим моментом, характеризующимся двумя квантовыми состояниями. С механическим моментом неразрывно связан магнитный момент электрона, который для краткости тоже называют спином, а два его возможных состояния условно обозначают «up» и «down». Это отражает графическое представление спина стрелкой, которая вдоль любой выделенной оси в пространстве может иметь только две взаимно противоположные ориентации, например «вверх» и «вниз».

В большинстве проводящих материалов количество электронов в обоих состояниях примерно одинаково. Другое дело — ферромагнитные проводники на основе группы железа. В них относительная разница в концентрации электронов «up» и «down», или, иначе, спиновая поляризация, может превышать 50 процентов. Это, в частности, обеспечивает наличие у таких веществ макроскопического магнитного момента (намагниченности) и, что особенно важно для спинтроники, порождает ряд специфических эффектов, связанных с переносом заряда. В первую очередь к ним относятся спин-зависимая электропроводность и перенос механического момента, практические приложения которых сулят открытие новых горизонтов в сферах IT-технологий, «терагерцовой» генерации электромагнитного излучения, магнитной сенсорике и других технических областях.

Внутри ноутбука

Спинтроника живет не только в лабораториях, она уже вошла в повседневную жизнь благодаря компьютерам. В большинстве из них можно обнаружить жесткий диск (HDD или HMDD, hard magnetic disk drive), способный хранить информацию в отсутствие электропитания. Энергонезависимость HMDD обусловлена тем, что простейшие элементы информации, биты, формируются на тонком магнитном слое в виде малых участков с определенной ориентацией намагниченности.

Локальное изменение намагниченности соответствует записи информации, а регистрация локальных магнитных полей — ее считыванию. Первый процесс осуществляется специальной записывающей магнитной головкой, создающей импульсное магнитное поле, второй процесс — другой, считывающей, головкой. И именно спинтроника ответственна за повышении эффективности считывания в таких головках.

Основное достоинство жесткого диска — большая емкость при минимальных размерах. Улучшение этой характеристики очевидным образом связано с повышением плотности записи информации, то есть с уменьшением физического объема одного бита. На этом пути ученые, технологи и конструкторы решают две основных задачи. Во-первых, нужно совершенствовать магнитный носитель и технологию записи, позволяющие реализовывать устойчивые магнитные состояния в микронных объемах. Во-вторых, нужно находить все более чувствительные способы регистрации локальных магнитных полей, напряженность которых уменьшается с уменьшение объема бита.

Именно поиск решения второй задачи тормозил прогресс в развитии HMDD в 90-х годах прошлого века. Прорыв в данной области позволил создавать диски с емкостью больше терабайта, а произошел он благодаря открытию в 1987 году и последующей технической реализации эффекта гигантского магнитосопротивления (giant magnetoresistance, GMR).

Гигантское магнитосопротивление — это одно из квантовых явлений, в котором существование спиновой поляризации и обусловленной ею зависимости электросопротивления (или эффективности рассеяния электрона) от ориентации его спина играет ключевую роль. Эффект реализуется в неоднородных магнитных системах, например в слоистых пленках. «Гигантским» эффект прозвали потому, что его величина (относительное изменение электросопротивления проводника под действием магнитного поля) достигало 200 процентов, что почти на два порядка превосходило величину известного к тому времени эффекта анизотропии магнитосопротивления (anisotropic magnetoresistance, AMR).

Применительно к считывающим головкам GMR «работает» так. Локальное поле от магнитного бита информации изменяет ориентацию намагниченности в одном из магнитных слоев специальной пленочной структуры головки. В результате у электронов, попадающих сюда из соседнего магнитного слоя, где намагниченность фиксирована, изменяется относительная ориентация спина и они рассеваются с большей вероятностью. Другими словами, воздействие магнитного поля на чувствительный элемент считывающей головки приводит к изменению ее электросопротивления.

Сегодня на смену GMR «пришел» его квантовый аналог — эффект туннельного магнитосопротивления (tunnel magnetoresistance, TMR). Он наблюдается, например, в пленочных структурах, содержащих наряду с тонкими, порядка единиц нанометров, магнитными слоями проводников ультратонкие (менее нанометра) непроводящие прослойки. Для создания таких структур требуется высокий уровень технологии, позволяющей формировать геометрию пленочных слоев с точностью до 0,1 нанометра.

Величина TMR в несколько раз превосходит GMR. Когда для столь чувствительных головок появятся соответствующие магнитные носители, в истории развития жестких дисков откроется новая эпоха.

Спиновые магнитные сенсоры

Всевозможные сенсоры заполняют нашу жизнь со все возрастающей скоростью: они присутствуют во всех гаджетах, сопровождают нас в транспорте, обеспечивают роботизацию производственной деятельности и решают много других повседневных задач. Любой сенсор на языке инженерии — это первичный преобразователь различных физических величин в электрический сигнал.

Принципы преобразования весьма разнообразны, а сенсоры на основе магнитоэлектрических явлений представляют собой важный и многочисленный класс. В общем случае в таких объектах электрические свойства определенной среды изменяются под действием магнитного поля. Сенсоры, построенные на таких принципах, относят к достаточно широкой категории магнитных, в которую входят преобразователи, реализующие, например, хорошо известный закон электромагнитной индукции, или явление гигантского магнитного импеданса, или спектр магниторезистивных эффектов, входящих в сферу спинтроники.

Главными достоинствами магнитных сенсоров является бесконтактный способ функционирования и универсальность. Источниками магнитных полей, как известно, являются электрические токи и намагниченные тела. В соответствии с этим на магнитных сенсорах создаются бесконтактные измерители тока и датчики позиционирования.

В первом случае принцип действия следующий: чем больше ток, тем больше напряженность магнитного поля вокруг проводника и тем интенсивнее реакция магнитного сенсора, занимающего фиксированное положение относительно проводника.

Во втором случае объект, положение которого нужно отслеживать, содержит миниатюрный постоянный магнит — магнитную метку, создающую вокруг себя магнитное поле. Задача сенсора — отреагировать на величину, а при необходимости и ориентацию магнитного поля известным образом, зависящим от положения метки. Эта реакция в форме первичного электрического сигнала обрабатывается прибором более высокого уровня — датчиком. В зависимости от назначения и конструкции датчика, содержащего магнитный сенсор, можно получить информацию о местоположении объекта, расстоянии до него и скорости его перемещения.

На таких принципах работают, например, электронный компас, реагирующий на магнитное поле Земли, датчик уровня топлива в бензобаке, отслеживающий положение поплавка с магнитной меткой, датчик скорости вращения вала турбины, считающий количество контактов с магнитной меткой, вращающейся вместе с валом, и многие другие устройства.

Спинтроника сегодня играет важную роль в повышении эффективности магнитных сенсоров. Наглядным примером тому служат считывающие головки жестких дисков, о которых шла речь выше. Ведь магниторезистивные GMR- или TMR-элементы в головках — это, по сути, магнитные сенсоры. Разработка новых сред, обладающих наряду с AMR-, GMR-, TMR-эффектами и другими специфическими функциональными свойствами (низким гистерезисом, температурной стабильностью, радиационной стойкостью, технологичностью производства и применения и так далее), а также дизайна сенсорных элементов являются актуальными задачами.

Решение указанных задач лежит в сфере пленочных технологий, позволяющих получать многослойные структуры с точным воспроизведением свойств их компонентов. В состав таких структур может входить более десятка слоев, отличающихся по составу, кристаллической структуре, электропроводности, магнитным и другим физическим свойствам. Современная сфера соответствующих научно-технических разработок представляет собой высокотехнологичную индустрию, охватывающую технологию получения объектов, их структурно-химическую экспертизу и анализ функциональных свойств пленок. Выполнение такого рода работ под силу только крупным научным центрам и строится на основе активного сотрудничества между высшими учебными заведениями и научно-исследовательскими институтами, а также международной коллаборации.

Энергонезависимая магнитная память

Хранение и переработка информации — две основных функции компьютерной техники, которые на сегодняшний день реализуются на разных физических принципах. Для долговременного и надежного сохранения данных используются те самые HMDD-устройства, или «жесткие диски», о которых шла речь выше. Доступ к такой информации осуществляется с помощью считывающей головки, которая с большой скоростью перемещается над поверхностью магнитного слоя и регистрирует ее в двоичном коде.

Но сколь бы высокой ни была скорость движения головки, она не сравнится со скоростью распространения электрического сигнала. Поэтому для обеспечения быстродействия компьютера операции по обработке информации сосредоточены в другом узле — слотах оперативной памяти. Эти быстродействующие полупроводниковые устройства, к сожалению, имеют ограниченный объем и не сохраняют информацию при отключении питания. Чтобы информация не потерялась и была доступна для дальнейшего использования, она записывается (считывается) из оперативной памяти в долговременную, то есть на HMDD. Двухуровневая структура, реализуемая при помощи механически операций, — это главное препятствие на пути повышения быстродействия компьютеров.

Все крупные игроки информационно-технологического бизнеса вкладывают суммы с большим количеством нулей в исследования, направленные на создание универсальных устройств памяти, в которых достоинства магнитной и полупроводниковой составляющих будут объединены.

Одна из наиболее перспективных технологий в этой области вошла в обиход под аббревиатурой MRAM (magnetoresistive random-access memory), то есть магниторезистивная память с произвольным доступом. Прорыв в этой области даст колоссальный прогресс в реальном быстродействии компьютеров и незамедлительно переформатирует весь рынок электронных компонент для IT-устройств.

Идея построения MRAM основана на воздействии спин-поляризованного тока на магнитное состояние запоминающего элемента, то есть на спинтронном эффекте. Принципиально такой элемент содержит два проводящих магнитных слоя, разделенных диэлектрической прослойкой, которая обеспечивает прохождение туннельного тока. Двоичная информация в нем кодируется в форме двух возможных магнитных состояний, характеризующихся сонаправленной или противонаправленной ориентациями магнитных моментов в слоях. Но переключение между этими состояниями, то есть запись информации, осуществляется не внешним магнитным полем, как это предусматривалось во всех более примитивных аналогах MRAM, а туннельным током.

Проходя через один магнитный слой, ток поляризуется, например приобретает «up»-поляризацию, а попадая в другой магнитный слой, может вести себя двояко: ток не изменяет ориентацию намагниченности слоя, если она обусловлена электронами со спином «up», или перемагничивает слой, если результирующий магнитный момент слоя сформирован спинами «down». Считывание информации основано на TMR-эффекте, который, как уже отмечалось, состоит в зависимости электросопротивления элемента от взаимной ориентации магнитных моментов его слоев. Таким образом, ток, текущий по элементу, осуществляет и функцию записи, и функцию считывания.

Скорость переключения магнитного слоя в TMR-элементе сравнима со скоростью срабатывания полупроводниковых элементов, что обеспечивает высокое быстродействие устройства в целом. А магнитное воплощение информации приводит к энергонезависимости памяти. Основная проблема, тормозящая создание MRAM, — высокая плотность поляризованного тока (до миллиона ампер на квадратный сантиметр), необходимого для переключения существующих TMR-элементов. Это влечет за собой недопустимый перегрев самих элементов и обуславливает большие энергозатраты.

Нужны новые магнитные среды и конструкторские решения, чтобы переход от лабораторных образцов MRAM, обладающих минимальным объемом памяти, к полноформатным и конкурентоспособным устройствам из возможности стал реальностью.

Помимо перечисленных выше, еще одним перспективным направлением спинтроники считается создание спинтронных элементов — аналогов электронных транзисторов или ультрамалых и эффективных генераторов излучения микроволнового диапазона.

В России одним из центров, в которых ведутся исследования и разработки в области спинтроники, являются Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения РАН и Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина. Оба учреждения имеют хороший кадровый потенциал и технологическое оснащение. Сотрудничество двух организаций получило организационное оформление как совместная Лаборатория магнетизма и магнитных наноструктур. Коллаборация имеет возможность внедрять свои разработки, в частности по магнитной сенсорике, на предприятии Роскосмоса — НПО автоматики имени академика Н.А. Семихатова.

Лаборатория магнетизма и магнитных наноструктур — одна из основных создателей прорывного научного проекта «Перспективные магнитные материалы с многоуровневой иерархической структурой для новых технологий энергетики, электроники и спинтроники». В группу ученых под руководством академика РАН Владимира Устинова входит профессор УрФУ Владимир Васьковский, который в этом проекте занимается темой магнитной сенсорики. Проект состоит из четырех разделов. Поддержку ему осуществляют российские и зарубежные академические партнеры, также участие в проекте принимают крупнейшие предприятия России.