Магнитные нанослои, гигантское магнитосопротивление

Кроме магнитных кластеров, в технике широко применяются многослойные магнитные структуры - системы чередующихся нанослоев материалов с разными магнитными свойствами (рис. 3.6). Наноструктура на рисунке представляет собой магнитную сверхрешетку.

Электрическое сопротивление такой структуры зависит от относительного направления намагниченности магнитных слоев. Изменить направление намагниченности можно магнитным полем. Отношение значений сопротивления при параллельном и антипараллельном направлении намагниченности в соседних слоях называется ГМС соотношением. ГМС соотношение зависит от материалов слоев, их количества, температуры и в некоторых случаях составляет несколько десятков процентов. Причина этого эффекта заключается в разной степени рассеяния электронов со спинами, направленными по направлению намагниченности и против.

Именно применение эффекта ГМС позволило за несколько последних лет резко увеличить информационную плотность жестких дисков, открыло возможности создания новых видов магнитной операционной памяти, лучшей, чем полупроводниковые аналоги, во многом определило развитие спинтроники.

Спинтроника - раздел электроники, который изучает магнитные наноструктуры и рассматривает в совокупности электрический заряд электрона и его спин.

В 2007 г. А. Ферту и П. Грюнбергу за открытие гигантского магнитосопротивления была присуждена Нобелевская премия по физике с формулировкой «может рассматриваться как первое по настоящему эффективное приложение многообещающей области нанотехнологий».

Информация на современном жестком диске заключена в доменной структуре. Считывающая головка содержит ГМС структуру, в которой один магнитный слой имеет постоянную намагниченность, другой магнитный слой, контактирующий с диском, меняет намагниченность в зависимости от того, какой сигнал записан на домене («единица» или «нуль»). Между магнитными слоями имеется нанослой полупроводника. Изменение силы тока в ГМС структуре в зависимости от намагниченности домена также представляется в двоичном коде («да» или «нет»).

Магнитная память

Требования к увеличению быстродействия электропики включают, в частности, требование увеличения быстродействия в магнитных запоминающих устройствах, где при записи информации происходит изменение намагниченности участка ферромагнетика. Современные материалы со сверхбыстрым «откликом» меняют намагниченность за доли наносекунды.

Магнитные свойства вещества используются для создания различных типов магнитной памяти. Дело в том, что увеличение плотности размещения транзисторов и, соответственно, уменьшение расстояний между ними приводит к появлению токов утечки, к перегреву компьютера. Между тем магнитная память энергонезависима и сохраняется при выключении питания. Компьютер с магнитной памятью процессора будет загружаться практически мгновенно и не потребует сильного охлаждения. В 2006 г. создан рабочий прототип микропроцессора нового типа с такой памятью. Сделаны шаги по созданию с помощью наномагнитов универсального логического элемента, который сможет заменить логические элементы, разработанные на основе транзисторов.

В 2003 г. был предложен новый тип памяти, основанный на нанокольцах кобальта диаметром меньше 100 нм. Кобальтовые наночастицы представляют собой напомагнитики с южным и северным полюсами, которые самопроизвольно собираются в кольца, причем силовые линии их магнитных полей образуют замкнутую структуру (рис. 3.7). Таким образом, это достаточно замкнутая система, которая может служить элементарной ячейкой памяти. Ориентация общего магнитного поля частичек по или против часовой стрелки позволяет кодировать двоичную информацию. Большим преимуществом таких устройств памяти будет использование ее при комнатной температуре и простота получения. Заметим, что образование такой структуры - типичный пример самоорганизации. Исследователи полагали, что кобальтовые наночастицы образуют просто цепочки, но получили нанокольца.

Нанотехнология - междисциплинарная область, граничащая, в частности, с биотехнологией. Неудивительно, что и в области наномагнетизма ученые и технологи обратились к молекулам, присущим биологическим объектам.

В английской компании «Nanomagnetics» проводятся работы по созданию наномагнитов на базе белка апоферритина. Этот белок имеет сферическую форму диаметром 12 нм с внутренней полостью диаметром 8 нм. В полости находится включение, которое в молекулярном дизайне принято называть «гостем». В данном случае «хозяин» (белок) принимает «гостя» - атом железа. Чтобы заменить «гостя», белок сначала обрабатывается раствором кислоты, затем - раствором, который позволяет внедрить в нанополость магнитный кобальт-платиновый сплав. Полученный раствор наносится на жесткий диск и нагревается. Возникающий в итоге процессов самосогласованного структурообразования плотно упакованный слой уже позволил разместить около 450 Гбит на см², но планируется за счет такой технологии довести емкость жестких дисков до 5000 Гбит на см².

При экспериментальном исследовании магнитных свойств наномагнитов используются магнитные силовые микроскопы. Весьма актуальным оказывается компьютерный эксперимент: математическое моделирование широко используется при проектировании конкретных новых магнитных элементов памяти.

Лекция: Фуллерены и нанотрубки