Диалоги (июнь 2003 г.) - Александр Гордон

Это атомный силовой микроскоп, который измеряет рельеф поверхности с атомным разрешением.

Атомный магнитный микроскоп, который даёт опять же с нанометровым разрешением направление магнитных моментов на поверхности. Потом были сделаны такие же устройства, которые локально могут измерять ядерный магнитный резонанс, электронный спиновый резонанс.

И наконец были сделаны на этой же базе приборы, которые могут манипулировать атомами, т.е. могут их передвигать с места на место – наноманипуляторы. Это был ответ на вызов Ричарда Фейнмана. Это было сделано где-то уже к 90-му году. И как демонстрация этих достижений, мне нравится вот такая картинка – исследователи из фирмы Ай-Би-Эм написали на металлической поверхности три буквы – IBM. Но написали это атомами ксенона! Это был 90-й год.

Константин Звездин: Сколько атомов в букве?

А.З. Ну, в букве, я не знаю, всего было порядка 35-ти атомов использовано. Но я видел эти картинки. После этого, конечно, продвинулись очень сильно. Но это была веха. Вот такой примерно исторический фон, на котором развивалась нанотехнология. Сейчас мы на пороге фактически нового века – века нанотехнологии.

Я бы показал несколько основных элементов наиболее популярных в настоящее время в наномире, они на картинке нарисованы. Это элементы – квантовые ямы, сверхрешётки, квантовые проволоки или квантовые нити, как ещё их называют. Квантовые точки, магнитные точки. Это всё элементы нанофизики, нанотехнологии, они особенно интересны, конечно, для наноэлектроники. Они показаны там на рисунках. Здесь, в этих названиях, термины – проволоки, точки, ямы – очевидно связаны с геометрическим фактором, характерным для этих объектов. А прилагательное «квантовый» – отражает тот факт, что движение электрона в этих объектах подчиняется не классическим закономерностям, а квантовым. Поскольку размеры их как раз находятся в нанообласти.

Среди такого типа объектов особенно интересны кластеры. Эти объекты такие же, как квантовые точки, но они называются кластерами. Вот видите, такие элементы показаны на рисунке, в которых порядка тысячи атомов. И, конечно, движение электронов в них тоже является квантовым, т.е. это тоже чисто квантовые объекты. Их чёртова гибель, этих кластеров, поэтому это богатейшая область для создания новых материалов и новых приборов.

А.Г. Простите, сам кластер ведёт себя как макрообъект, а электроны внутри кластера ведут себя уже как квантовые объекты?

А.З. Электроны как квантовые, и сам кластер ведёт себя тоже так же, я буду по этому поводу позже говорить. То есть сам кластер в некотором смысле ведёт себя тоже как квантовый объект. У него есть некая коллективная, как её называют, переменная, которая подчиняется законам квантовой механики. Я об этом расскажу попозже.

Мы работаем с магнитными кластерами. Они интересны тем, что у них появляется дополнительная степень свободы – магнитная. Ею можно управлять, поэтому свойства у них более разнообразные. Интересно, что именно магнитные нанообъекты пришли на финиш практического применения раньше других. Но об этом расскажет Константин.

К.З. Раздел электроники, который занимается магнитными наноструктурами называется «спинтроника». В отличие от классической микроэлектроники, которая использует только заряд электрона, спинтроника ещё использует его магнитный момент, т.е. появляется дополнительная степень свободы.

Рождением этого направления можно считать открытие эффекта гигантского магнитосопротивления в 88 году. Что это за эффект? Берётся трехслойная структура из двух магнитных слоёв и немагнитной проводящей прослойки. Вот нечто подобное показано на рисунке. Электрическое сопротивление такой структуры зависит от взаимной ориентации намагниченностей в магнитных слоях. В первых структурах, в которых этот эффект был обнаружен, величина эффекта – так называемое GMR-соотношение – составляло 6%, сейчас получены такие материалы, в которых оно доходит до 20% и более при комнатной температуре.

Что такое GMR-соотношение? Это разница между сопротивлением структуры при параллельном направлении намагниченности в слоях и при антипараллельном, т.е. антиферромагнитном. Первое практическое применение таких структур – это головки жёстких дисков. Не все заметили этот факт, но буквально за несколько лет информационная плотность жёстких дисков увеличилась в 20 раз – благодаря использованию этого эффекта.

А.З. Простите, я перебью. GMR-эффект – это как раз наноэффект. Размеры элементов здесь должны быть много меньше длины свободного пробега.

К.З. Да, в больших структурах это всё не работает.

Я здесь остановлюсь на том, как устроен жёсткий диск. Фактически этот диск покрыт магнитным материалом, и информация хранится в форме доменной структуры, которая создана на поверхности этого диска. И если нам нужно считать какую-то информацию с какой-то области диска, эта область подводится под GMR-считывающую головку, в которой один магнитный слой, в нём намагниченность фиксированная, а другая меняется благодаря магнитостатическому взаимодействию с поверхностью доменной структуры. И в зависимости от того, единица или ноль записана в этом бите, т.е. в этой области диска, меняется (или не меняется) ориентация нижнего слоя, и мы получаем сигнал или не получаем его. То есть в бинарном виде это работает.

И, естественно, огромная задача для индустрии, которая занимается этими дисками, как можно меньше сделать размер, который занимает один бит информации. То есть, как можно плотнее записать. Но на этом пути существует так называемый суперпарамагнитный барьер, предел. Что это такое? Существует такой критический размер домена, при котором из-за термофлуктуаций он спонтанно перемагничивается. То есть без действия каких-либо внешних полей информация теряется. То есть ниже, мельче, чем позволяет это ограничение, не получается сделать величину бита.

А.Г. Технологически не получается или теоретически? Потому что если флуктуация температурная, то можно придумать какую-то систему защиты, стабилизации.

А.З. Ну, например, понизить температуру устройства – правда, это усложняет систему колоссально.

А.Г. Да-да-да, то есть теоретически это возможно, технологически это невыгодно.

К.З. Это абсолютно правильно. То есть размер зависит от многих факторов, в том числе и от материала. Есть такая величина – константа магнитной анизотропии. Она описывает, насколько жёстко держится намагниченность, насколько велика коэрцитивная сила. Но с другой стороны, мы не можем сильно увеличивать эту константу, потому что тогда усложняется запись. То есть нам большее поле надо приложить локально для того, чтобы изменить битовое состояние. И опять же это усложнение системы. Сейчас один из путей решения этой проблемы – создание так называемой пространственно неоднородной магнитной среды. В отличие от современных дисков, которые представляют собой сплошную магнитную поверхность, на немагнитную поверхность в этом случае нанесены магнитные частицы с каким-то определённым периодом.

А.З. Магнитные точки даже.

К.З. И фактически бит хранится в форме ориентации намагниченности одной частицы. Это вот позволяет несколько отодвинуть суперпарамагнитный предел. И отодвинуть, то есть уменьшить размер бита, т.е. увеличить плотность записи. Сейчас цель индустрии жёстких дисков – достичь плотности 100 гигабит на квадратный дюйм. Считается, что это будет достигнуто в этом или в следующем году.

А.Г. Но это будет предел для этой технологии?

К.З. Ну, это некий шаг, который нужно сделать.

А.Г. 100 гигабит на квадратный дюйм? Потрясающе.

К.З. Следующее коммерческое применение нанотехнологии, которое будет через несколько лет на рынке, это магнитная оперативная память. В настоящее время используется полупроводниковая магнитная память, но главная её слабая сторона состоит в том, что при отключении питания информация теряется. То есть, как мы все знаем, надо тратить некоторое время на перезагрузку компьютера. И если вдруг выключается питание, то мы теряем наши несохраненные документы.

С магнитной памятью дело обстоит совершенно по-другому. Как устроена ячейка магнитной памяти? Это такая же трехслойная структура, и в простейшем случае, единица или ноль хранится в форме взаимной ориентации векторов намагниченности. То есть при отключении питания битовое состояние, естественно, сохраняется. И потом, если мы представим, что из таких элементов мы строим матрицу, то есть, таким образом мы можем считывать информацию с каждого элемента.

А.Г. А вот эта кластерная структура записи информации, насколько важно её сохранить при новых технологиях или есть другие пути записи?