По физике — А.Фер и П.Грюнберг
Нобелевская премия по физике в 2007 году присуждена Альберу Феру и Петеру Грюнбергу за «открытие гигантского магнитосопротив-ления».
Можно смело сказать, что эра нанотехнологий не только наступила, но и дает уже получающие признание практические результаты. Ведь по сути дела открытие эффекта гигантского магнитосопротивления стало возможным при исследовании искусственно созданных структур с размерами всего в несколько атомных слоев.
Известный французский физик Альбер Фер (Albert Fert) родился в 1938 г. на юге Франции в Каркассоне. Закончив в 1962 г. одно из престижнейших высших учебных заведений Франции Эколь Нормаль Супериор в Париже, он защитил докторскую диссертацию в Университете Пари-Зюд в Орсее, в лаборатории физики твердого тела в 1970 г. С 1964 г. по настоящее время Фер работает в этом университете, ныне в качестве научного директора физической лаборатории Национального центра научных исследований. Исследованиями по транспортным свойствам магнитных материалов он начал заниматься в конце 60-х годов, что привело его в 1988 г. к открытию эффекта гигантского магнитосопро-тивления.
Петер Грюнберг (Peter Grun-berg), замечательный немецкий ученый, родился в 1939 г. в Пльзене, теперь это Чешская республика. После Второй мировой войны его семья переехала в Западную Германию, где он
Альбер Фер
обучался физике в Университете им.Гёте во Франкфурте-на-Майне. Диплом физика и докторскую степень он получил в 1966 г. ив 1969 г. соответственно в Высшей технической школе Дармштадта. С 1972 г. Грюнберг работает в Институте физики твердого тела исследовательского центра в г.Юлих. Он вышел на пенсию в 2004 г., но продолжает заниматься научной работой.
Результаты, полученные лауреатами независимо и одновременно, конечно, основывались на бурно развивающейся физике конденсированного состояния, и в частности физике магнито-упорядоченных сред. Гигантское магнитосопротивление (ГМС) — физический эффект, который принадлежит к целому классу
Петер Грюнберг
«гигантских» эффектов, открытых в физике за последние 50 лет. Среди них, во-первых, гигантский магнитострикцион-ный эффект, открытый в 1965 г., во-вторых, гигантские эффекты магнитоимпеданса, Холла, маг-нитокалорический и др. Уже в нашем веке открыты гигантские эффекты Поккельса, диэлектрический Гуса-Хенхена и т.д. Однако Нобелевской премией сейчас отмечен только ГМС. В чем же замечательность этого эффекта, и почему Нобелевский комитет единогласно присудил премию Феру и Грюнбергу? Постараемся ответить на этот вопрос. Но для этого нам необходимо сделать небольшой экскурс в историю физики.
В 1857 г. лорд У.Кельвин в ходе экспериментов с никелем и железом обнаружил зависи-
мость электросопротивления металла от величины внешнего магнитного поля. Этот эффект был назван эффектом магнито-сопротивления, или гальваномагнитным эффектом. В немагнитных металлах, однако, величина этого эффекта очень мала, так как магнитное поле влияет на движение носителей тока незначительно, и только при очень низких температурах величина сопротивления изменяется существенно. В ферромагнитных металлах величина магнитосо-противления или относительного изменения сопротивления достигает величины порядка 1—2% при достаточно больших магнитных полях (до 2 Тл). Кроме этого, важным свойством эффекта в ферромагнитных металлах является его анизотропия: его величина сильно зависит от взаимной ориентации электрического тока и магнитного поля. В продольной геометрии, когда ток I параллелен магнитному полю Н, сопротивление Кувеличи-вается при приложении поля, а в поперечной, когда I перпендикулярен Н, — сопротивление уменьшается. Это свойство обусловлено спин-орбитальным взаимодействием электронов.
Электрический ток в металлах связан с перемещением электронов проводимости под воздействием электрического поля. Их движение всегда (если только вещество не сверхпроводник) встречает сопротивление. Основная причина — это рассеяние электронов на колебаниях кристаллической решетки, или электрон-фононное взаимодействие. Кроме этого, заметный вклад в электросопротивление дает рассеяние электронов на дефектах и примесях (электрон-примесное взаимодействие) и друг на друге (электрон-электронное взаимодействие). В магнитных металлах, кроме указанных механизмов, на электросопротивлении сказывается рассеяние электронов магнитной структурой.
В металлических магнетиках природа магнетизма тесно свя-
зана с поведением 5-, Ы-, и /-электронов. N1, Бе и Со относятся к 3^-переходным металлам, в свою очередь Оё, ТЬ, Бу — редкоземельные 4/-металлы. В переходных металлах 3d- и 45- энергетические уровни формируют энергетические зоны. Эти зоны в значительной степени гибридизованы, и в реальных металлах нет четкого разграничения между ними. За проводимость в основном ответственны 3^-электроны, хотя они и менее подвижны, чем 45-электроны; основной вклад вносят электроны, находящиеся на уровне Ферми Еб или вблизи него. На рис. 1,а,б схематически изображены энергетические состояния переходных металлов. По оси абсцисс отложена электронная плотность состояний, которая представляет собой число электронов в системе, чья энергия лежит внутри некоторого интервала ЛЕ. На рис.1,а зонная структура соответствует парамагнитному металлу, например Си (переходный металл) или А§ (благородный металл), в котором число электронов со спинами вверх N и вниз N равно, вследствие чего намагниченность такого металла равна 0. На рис.1,б приведена зонная структура для ферромаг-
нетика согласно модели Стоне-ра—Вольфарта. В этом случае N1 > N1, и спиновая поляризация ферромагнетика больше 0, что отражает появление стрелки внизу рисунка, направленной вверх на рис.1,б. Наличие спиновой поляризации обусловливает обменное расщепление энергетических зон, заполненных электронами со спинами вверх и вниз. Это приводит к тому, что плотность состояний на уровне Ферми может существенно различаться для двух спиновых зон.
Примечательно, что один из нынешних лауреатов — Фер — с конца 60-х годов прошлого века много и усиленно занимался изучением транспортных свойств ферромагнитных металлов, в частности в диссертации — никеля и железа.
В результате выполненных работ было точно установлено, что в ферромагнитных металлах, таких как Бе, Со, N1, электрический ток связан с электронами, имеющими спины с направлением вверх и вниз, которые испытывают существенно различное противодействие своему движению, поскольку плотность состояний электронов с разной ориентацией спинов на уровне Ферми различна. Все это предо-
М£) --
Л/(£>
1Ч{£)
Л1{£)
4
Рис.1. Схемы энергетической зонной структуры: ^-переходного металла (а) и ферромагнитного состояния со спиновой поляризацией (намагниченностью), направленной вверх (показана толстой цветной стрелкой, б). Плотность состояний изображена раздельно для электронов со спинами, направленными вверх и вниз (показаны тонкими цветными стрелками). Ег — уровень Ферми, отделяющий при нулевой температуре свободные состояния от заполненных.
б
а
пределило проведение исследований в 80-х годах, которые и послужили основой для присуждения Нобелевской премии.
Развитие технологической базы физических экспериментов в последние несколько десятилетий стало основой для многих физических открытий. Дело в том, что развитие нанотехно-логий предполагает исследование процессов на атомарном уровне. Для этого необходимо, во-первых, уметь создавать структуры с размерами в несколько атомных слоев, во-вторых, иметь наноинструмента-рий для исследования свойств таких структур, в-третьих, вооружиться новым подходом к описанию физических процессов в них. Развитие технологий молекулярно-лучевой эпи-таксии, магнетронного распыления, лазерного напыления, химического осаждения позволило создавать искусственные структуры, выращиваемые послойными атомными слоями. Сначала такие технологии применялись для изготовления полупроводниковых гетерострук-тур, а затем — для роста металлических и, наконец, магнитных наноструктур. В это же время появились сканирующие туннельные и атомно-силовые микроскопы для исследования поверхностных и объемных свойств выращиваемых структур. Для исследования магнетизма новых структур помимо магнитно-силовой микроскопии и сквид-магнитометрии были разработаны методики, основанные на электро-магнито-опти-ческих эффектах вращения плоскости поляризации света, отражаемого или проходящего сквозь магнитные структуры (керровская и фарадеевская спектроскопии), и на эффекте мандельштам—бриллюэновско-го рассеяния света на спиновых волнах.
С середины 80-х годов в физике твердого тела прочно обосновалось слово «сверхрешетка». Аналогично другим «сверх» — сверхпроводимости, сверхтеку-
чести и т.д., данное слово обозначало нечто новое, необычное, по сравнению с обычной кристаллической решеткой. А именно, так стали называть искусственно изготавливаемые периодические структуры, которые имеют период, отличающийся от периода кристаллической решетки. Чтобы такая «сверхрешетка», создаваемая, например, из различных веществ, была «идеальной», параметры веществ надо было подбирать наиболее подходящими друг другу. В случае интересующих нас магнитных сверхрешеток самыми близкими веществами оказываются железо и хром, имеющие одинаковую объемно-центрированную кубическую решетку с практически равными размерами. Кроме этого, для выращивания металлических структур обычно выбирают в качестве подложки кремний, диоксид кремния, кварц или оксид алюминия. Хотя постоянные кристаллических решеток металлов и не совпадают с таковыми у веществ, формирующих подложки, они с большой степенью точности кратны друг другу. Выращивая эпитаксиальные слои железа на таких подложках, можно получить практически идеальную структуру без больших напряжений на границах раздела сред. В зависимости от толщины слоев, составляющих период сверхрешетки (слой ферромагнетика/слой немагнитного металла, например, Fe/Cr), взаимная ориентация отдельных слоев ферромагнетика, разделяемых немагнитным металлом, может быть параллельной или антипараллельной или, как еще говорят, ферро- или антиферромагнитной. В
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.