Лаборатория, где рождаются биты

В стерильной тишине лаборатории IBM в Цюрихе, 1988 год. Два физика, Петер Грюнберг и Альбер Фер, независимо друг от друга наблюдают странный эффект: тончайший сэндвич из железа и хрома демонстрирует резкое изменение электрического сопротивления под действием магнитного поля. Эффект достигает 10% - беспрецедентная величина для того времени. Они еще не знают, что открыли явление, которое перевернет цифровой мир - гигантское магнитосопротивление (ГМС).

Их открытие оставалось лабораторным курьезом до середины 1990-х, когда инженеры IBM столкнулись с физическим пределом плотности записи на жестких дисках. Считывающие головки на основе индукционных катушек перестали справляться с микроскопическими магнитными доменами. Нужен был принципиально новый подход. И тут вспомнили про ГМС.

Кобальт - дирижер электронных спинов

Ключевым элементом структуры ГМС стал кобальт. Этот ферромагнетик с высокой температурой Кюри (1121°C) обладает уникальной способностью поляризовать спины электронов. В тонких пленках толщиной всего 1-2 нанометра кобальт создает слои с фиксированной намагниченностью. Представьте микроскопический магнит, ориентацию которого можно контролировать с беспрецедентной точностью.

Но один кобальт - еще не спинтроника. Магия начинается, когда между двумя слоями кобальта появляется прослойка из немагнитного металла. И здесь на сцену выходит медь.

Медь - невидимый курьер

Медь в структурах ГМС играет роль не пассивного разделителя, а активного транспортера спинов. При толщине всего 2-3 нанометра медная прослойка становится туннелем, где электроны сохраняют свою спиновую поляризацию на протяжении десятков нанометров - колоссальное расстояние в квантовых масштабах.

Электроны проходят через медь, как курьеры с секретными пакетами, не раскрывая их содержимое. Спин-поляризованные электроны из одного кобальтового слоя доходят до второго, сохраняя информацию о направлении своего вращения. Если намагниченности двух кобальтовых слоев параллельны, сопротивление структуры минимально - электроны легко проходят через всю систему. Если антипараллельны - возникает барьер, сопротивление резко возрастает.

Физика гигантского эффекта

Величина эффекта достигает 200% при комнатной температуре в лучших образцах. Для сравнения: обычное магнитосопротивление в металлах редко превышает 5%. Секрет в квантово-механической природе явления.

Электроны с спином, направленным вдоль намагниченности слоя, испытывают меньшее рассеяние. В антипараллельной конфигурации электроны, легко прошедшие первый магнитный слой, встречают практически непреодолимый барьер во втором. Это напоминает поляризационный светофильтр: два фильтра, повернутые одинаково, пропускают свет, а скрещенные - блокируют.

Технологическое воплощение

Промышленное производство головок с ГМС требовало решения нетривиальных задач. Осаждение слоев кобальта и меди толщиной в несколько атомов с атомарной гладкостью - процесс, сравнимый с созданием космических зеркал. Погрешность в один атомный слой могла снизить эффект на десятки процентов.

Инженеры разработали методы магнетронного распыления в сверхвысоком вакууме, где частицы металла летят к подложке, практически не сталкиваясь с молекулами остаточных газов. Температура подложки, скорость осаждения, мощность плазмы - каждый параметр требовал ювелирной точности.

Эволюция архитектур

Простейшая структура "свободный слой/спейсер/фиксированный слой" быстро эволюционировала. Появились синтетические антиферромагнетики для фиксации направления намагниченности одного из слоев. Слои рутения толщиной всего 0.8 нм стали использоваться для антиферромагнитного связи соседних кобальтовых слоев.

На смену простым сэндвичам пришли сложные многослойные структуры с градиентными составами и барьерами из оксидов магния для туннельного магнитосопротивления - следующего шага в увеличении чувствительности.

Влияние на индустрию

Внедрение головок с ГМС в 1997 году вызвало взрывной рост плотности записи. Жесткие диски увеличили емкость в десятки раз без изменения физических размеров. Это позволило создавать iPod с тысячами песен, носимые гаджеты с терабайтами памяти, облачные дата-центры с экзабайтами информации.

Экономический эффект измеряется сотнями миллиардов долларов. Без ГМС не было бы современного стриминга, big data, искусственного интеллекта в том виде, как мы их знаем. Все это построено на способности кобальта и меди управлять спинами электронов.

За пределами жестких дисков

Спинтроника на основе ГМС вышла далеко за пределы считывающих головок. Магниторезистивная оперативная память (MRAM) использует аналогичные принципы для создания энергонезависимых ячеек памяти. В отличие от флеш-памяти, MRAM практически не имеет ограничений по количеству циклов перезаписи и работает на скоростях SRAM.

Спинтронные нейроморфные вычисления имитируют работу синапсов с помощью мемристоров на основе ГМС-структур. Квантовые компьютеры используют спиновые кубиты, где кобальтовые наночастицы служат носителями quantum information.

Будущее спинтроники

Современные исследования направлены на поиск материалов с более высоким эффектом при меньших токах. Гейзенберговские антиферромагнетики, топологические изоляторы, двумерные материалы вроде графена - все они tested как потенциальные преемники классических кобальт-медных систем.

Управление спинами без магнитного поля, с помощью токов спинового переноса - уже реальность. Спин-орбитроника promises создание процессоров, где информация передается не зарядами, а спинами, с минимальным энергопотреблением.

Открытие Грюнберга и Фера, отмеченное Нобелевской премией в 2007 году, продолжает порождать новые направления. Кобальт и медь, когда-то бывшие просто металлами, стали краеугольными камнями цифровой цивилизации. Их способность танцевать в нанометровых слоях под дирижерской палочной магнитного поля изменила мир больше, чем многие политические революции.

И пока где-то в чистой комнате на кремниевой подложке осаждается очередной атомарный слой, будущее вычислений продолжает твориться из этих двух простых элементов - кобальта, дирижера спинов, и меди, их верного курьера.