Диалоги (июнь 2003 г.)

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.