История открытия гигантского магнетосопротивления

Конец ХХ и начало XXI веков можно назвать эпохой «гигантских эффектов». Начиная с 1965 г. было открыто полтора десятка физических феноменов, измеряемая величина в которых меняется от нескольких десятков до нескольких тысяч процентов. Это так поражало исследователей, что они по праву присваивали найденным эффектам титул гигантски.

Давно известно, что на электрическое сопротивление можно влиять магнитным полем. В 1857 году британский физик лорд Кельвин опубликовал статью, показывающую, что сопротивление проводника меняется при приложении магнитного поля. Этот эффект был прямым предшественником открытого А. Фертом и П. Грюнбергом эффекта гигантского магнетосопротивления. Предпосылкой для открытия гигантского магнетосопротивления является прогресс в производстве тонких металлических пленок. В середине 80-х ученые поняли, какие новые возможности обещают нанометровые слои. Альбер Ферт и его коллеги создали систему приблизительно в тридцать перемежающихся слоев железа и хрома, каждый слой имел толщину в несколько атомных слоев. Группа Питера Грюнберга создала более простую систему, составленную только из трех слоев железа со слоем хрома, зажатого между ними. Поскольку в системе Ферта использовалось много слоев, он зарегистрировал большее магнитосопротивление, чем Грюнберг. Французская группа увидела изменение сопротивления до 50 процентов, тогда как немецкая группа увидела изменение сопротивления порядка 10 процентов. Это и было открытие, поскольку в традиционных экспериментах никто не регистрировал изменения магнетосопротивления более чем на один процент.

Альберт Ферт был первым, кто четко ввел понятие гигантского магнетосопротивления и уже в первой публикации указал, к каким важным приложениям может привести это открытие. Питер Грюнберг также сразу понял практический потенциал явления и зарегистрировал патент одновременно с написанием научной статьи.

Однако чтобы коммерциализовать новую технологию необходимо было придумать, как изготовить сверхтонкие слои в промышленном масштабе. Метод, использованный Грюнбергом и Фертом, не годился в качестве промышленного процесса. Следующий важный шаг сделал англичанин Стюарт Паркин, который показал, что можно получить многослойные пленочные покрытия, используя более простой метод, известный как "напыление". Все это явилось основой новой технологии, которая быстро стала стандартом в производстве жестких компьютерных дисков.

Ферт и Грюнберг изучали эффекты, связанные с электрическим сопротивлением структур, включающих в себя ферромагнитные и неферромагнитные материалы. В частности, Ферт занимался проводимостью многослойных плёнок, а Грюнберг в 1986 году открыл обменное взаимодействие антиферромагнитного характера в плёнках Fe/Cr.

В работе, в которой было заявлено об открытии эффекта, исследовалось магнетосопротивление (001)Fe/(001)Cr сверхрешёток. В этом эксперименте на объёмноцентрированную кубическую решётку (001)GaAs в высоком вакууме наносились слои железа и хрома при температуре подложки около 20 °C.

При толщине слоёв железа в 3 нм и варьировании толщины немагнитной прослойки из хрома между ними от 0,9 до 3 нм увеличение толщины прослоек хрома в сверхрешётке ослабляло антиферромагнитную связь между слоями железа и поле размагничивания. Последнее также уменьшалось при увеличении температуры от 4,2 К до комнатной. Изменение толщины немагнитных прослоек приводило к существенному уменьшению остаточной намагниченности в петле гистерезиса. Была показана сильная зависимость сопротивления образца (изменение до 50 %) от величины внешнего магнитного поля при температуре 4,2 К. В статье Ферта 1988 года новый эффект был назван гигантским магнетосопротивлением, чтобы подчеркнуть его значительную величину по сравнением с анизотропным магнетосопротивлением.

Авторы открытия также высказали предположение, что в основе эффекта лежит так называемое спин-зависимое рассеяние электронов в сверхрешётке (зависимость сопротивления слоёв от взаимной ориентации их намагниченности и направления спинов электронов). Теоретическое описание ГМС для различных направлений тока было сделано в течение последующих нескольких лет. Направление тока вдоль слоёв (так называемая CIP-геометрия, англ. current in plane — ток в плоскости) в классическом приближении было исследовано Р. Кэмли в 1989 году, а в квантовом — П. Леви в 1990-м. Теория ГМС для тока, направленного перпендикулярно слоям (CPP-геометрия, англ. current perpendicular to plane — ток перпендикулярно плоскости), известная как теория Валета — Ферта, была опубликована в 1993 году. В то же время практический интерес представляет CPP-геометрия, так как сенсоры на его основе, впервые предложенные Р. Ротмайером в 1994 году, демонстрируют бо́льшую чувствительность, чем сенсоры на основе CIP.

1.