загрузка...

Суперпарамагнетизм

  • 16.06.2010 / Просмотров: 6579
    //Тэги: Гордон   ИТ   квантовая механика  

    В последние десять лет плотность записи информации в магнитных дисках, непосредственно связанная с быстродействием компьютеров, удваивается каждые 18 месяцев. Какие физические ограничения на размер магнитного зерна памяти существуют сегодня? Можно ли говорить об определении достижимых границ миниатюризации электронных приборов и элементов памяти? О магнитных молекулах и квантовой механике сегодня после полуночи физики Анатолий и Константин Звездины.

загрузка...







загрузка...

Для хранения и проигрывания видео используется сторонний видеохостинг, в основном rutube.ru. Поэтому администрация сайта не может контролировать скорость его работы и рекламу в видео. Если у вас тормозит онлайн-видео, нажмите паузу, дождитесь, пока серая полоска загрузки содержимого уедет на некоторое расстояние вправо, после чего нажмите "старт". У вас начнётся проигрывание уже скачанного куска видео. Подробнее

Если вам пишется, что видео заблокировано, кликните по ролику - вы попадёте на сайт видеохостинга, где сможете посмотреть этот же ролик. Если вам пишется что ролик удалён, напишите нам в комментариях об этом.


Расшифровка передачи


Анатолий Звездин. Суперпарамагнетизм относит-
ся к более широкой области, чем магнетизм, скорее его
можно отнести к науке о наномире, поэтому я предла-
гаю наш разговор начать с наномира, с нанотехноло-
гии. Сейчас говорят много и пишут много о том, что мы
на пороге новой научно-технической революции, на-
нотехнологической. Ну, звучит это, конечно, немножко
скучно. Но это действительно так. Мы пережили уже
несколько научно-технических революций. И послед-
няя из них – это микроэлектроника. Но справедливости
ради, нужно сказать, что каждая из этих научно-техни-
ческих революций сильно повлияла на нашу жизнь. Бо-
лее того, они кардинально изменили нашу жизнь. И по-
этому естественно было бы обсудить грядущую нано-
технологическую революцию.
Александр Гордон. всё-таки, наверное, не жизнь, а
образ жизни.
Анатолий Звездин. Образ жизни, да. Но прежде чем говорить об
этом, конечно, нужно определить, что такое эти нано-
физика и нанотехнология. Обычно, когда говорят о на-
нотехнологии, нанофизике, то речь идёт о создании и
исследовании систем или объектов, у которых хотя бы
одно измерение, хотя бы один размер находится в ин-
тервале между одним нанометром и сотней наноме-
тров. Это определение. Ну, я напомню, нанометр – это
10 в минус девятой метра. Естественно сравнить его
с самим атомом. Обычный размер атома два с поло-
виной ангстрема, то есть на одном нанометре могут
быть расположены 4 атома примерно. Если мы возь-
мём кубик со стороной в два с половиной нанометра,
то в этом кубике будет всего тысяча атомов, тогда как
в привычных нам макроскопических телах число ато-
мов измеряется астрономическими числами. Вот та-
ковы нанообъекты. Таким образом, в этом определе-
нии, которое я сделал, главное – размер. Это опреде-
ление звучит немножко разочаровывающе. Можно ска-
зать, что если дело только в длине, то вряд ли есть не-
обходимость выделять в отдельное направление на-
нотехнологию, ведь мы уже имеем микроэлектронику.
Микроэлектроника работает в микрометровом диапа-
зоне, она сейчас даже переходит в субмикроны. Таким
образом, может быть, здесь речь должна идти не о ре-
волюции, а об эволюции, поскольку просто мы перехо-
дим в новый диапазон длин. Но считается, что нет. Тем
не менее, всё ж таки речь здесь идёт о революции.
Можно отметить несколько факторов, кардинально
отличающих наномир от микромира, нанотехнологию
от микротехнологии и т.д. – важных отличий вот этой
самой грядущей нанотехнологической революции от
микроэлектроники. Но я отмечу только два.
Первый – из области физики. Эта область от одно-
го нанометра до сотни нанометров – это переходная
область – от классики, где господствует классическая
физика, к атомам и молекулам, где господствует кван-
товая механика. Это переходная область. Здесь схо-
дятся эти два типа закономерностей и сосуществуют.
Поэтому объекты этой области обладают новыми, бо-
лее богатыми свойствами. И поэтому нанотехнология
создаёт структуры с новыми свойствами, которые ещё
нам неизвестны, и мы с таким положением дел ранее
не встречались. Например, мы привыкли думать, что
для того чтобы изменить свойства материала, нужно
изменить его химический состав. В наномире же по-
является новое качество. Размер и форма нанообъек-
та могут существенно повлиять на его оптические, маг-
нитные, электрические свойства, даже на цвет. Это всё
с точки зрения квантовой механики понятно, но новым
является то, что в принципе, можно сейчас делать та-
кие вещи. Это первое.
Второе отличие несколько иного свойства. Микро-
электроника, микроэлектронная технология, она рабо-
тает в области информационной техники. То есть, это
технология для информационной техники – компьюте-
ры, например, и так далее. А нанотехнология ставит
более грандиозные задачи. Она стремиться внедрить-
ся и преобразовать фактически все сферы человече-
ской жизнедеятельности.
Александр Гордон. Это универсальный инструмент, который мы мо-
жем получить.
Анатолий Звездин. Именно так. То есть новые материалы, создан-
ные искусственно, атом за атомом. Каковы области
применения нанотехнологии? Конечно, это информа-
ционная технология, медицина и фармакология.
Александр Гордон. Биомедицина.
Анатолий Звездин. Конечно, транспорт, госбезопасность и так да-
лее.
Александр Гордон. Криптографию вы имеете в виду.
Анатолий Звездин. Да, это всё под, можно сказать, сферой влияния
нанотехнологии. Лозунг нанотехнологии: почти всё, что
может быть сделано человеческими руками, должно
быть или может быть сделано методами нанотехноло-
гии. Потому что всё состоит из атомов, и всё поэто-
му можно сделать искусственно из атомов. Это лозунг
смелый, но таков лозунг нанотехнологии. Вот поэтому
это – революция.
Несколько слов или точнее, несколько исторических
замечаний, как она всё ж таки возникала. Точкой от-
счёта нанотехнологии считается знаменитый доклад
американского физика Ричарда Фейнмана – хорошо
известного всем Нобелевского лауреата. В 1959 году
он прочитал доклад, который назывался так «There is
Plenty of Room at the Bottom», если перевести воль-
но на русский язык, это примерно звучит так: имеется
огромное поле деятельности на атомном уровне. Но
вы знаете Ричарда Фейнмана.
Александр Гордон. Зная его, можно было перевести почти дослов-
но: «внизу места навалом» или «внутри места полно».
Анатолий Звездин. Так оно и есть, да. Фейнман – это блестящая
личность. На мой взгляд, это личность калибра гиган-
тов Возрождения. У него удивительный и разносторон-
ний ум. Это и колоссальное провидение. Вы знаете его
учебник, фейнманские лекции по физике, у него удиви-
тельный тотальный взгляд на природу. Он сложнейшие
вещи студентам мог объяснить очень просто, сложней-
шие вещи, которым посвящена громадная литература.
А после этого профессионалы подхватывали его на-
ходки и до сих пор этим пользуются. И со всем этим
сочетается его колоссальный и мощный талант анали-
тика. И за это он Нобеля получил. Вот таков Фейнман.
Так вот он в своём докладе сказал такие слова, и
это был его главный тезис, что все приборы (это был
1959-й год), которые сейчас есть, эти вот лампы, трио-
ды, диоды, пентоды, транзисторы, триггеры – всё это,
друзья мои, можно и нужно делать из атомов и моле-
кул, собирая их из атомов, и так далее. И это первое.
И второе – он призвал научную общественность: да-
вайте делать такие приборы в наших лабораториях,
которые позволили бы нам измерять свойства отдель-
ных атомов и манипулировать ими. Это был 59 год и,
конечно, я могу себе представить реакцию публики на
это дело, потому что в то время господствовали в элек-
тронике огромные лампы или – я ещё застал их – триг-
геры – основа электронно-вычислительной машины –
в то время компьютера, это была коробочка объёмом
пол-литра, не менее. А тут такие фантастические идеи.
Это была первая точка отсчёта. После этого в 60-
е, 70-е годы развивалась микроэлектроника. А доклад
Фейнмана был сделан как раз на заре этой микроэлек-
троники. Как сейчас мы говорим о нанотехнологии, в
то время говорили о микротехнологии. И доклад Фейн-
мана долгое время был где-то на обочине общего про-
цесса, а процесс продолжался, шло развитие микро-
технологии и микроэлектроники. Причём, стартовали,
начинали с размеров порядка сотни или десяти микро-
метров – это начало шестидесятых годов. А к концу 70-
х годов пришли к размерам меньше микрона, вышли
на субмикронный уровень. И так была создана планар-
ная микротехнология – та, которая сейчас развивается
и вовсю работает. Я, кстати, тогда работал в Зелено-
граде много лет, можно сказать, варился в этом котле.
Но могу сказать, что уровень наш, нашей микроэлек-
троники был вполне приличный.
Александр Гордон. То есть шутка, что «советские микросхемы – са-
мые большие микросхемы в мире» не соответствует
действительности?
Анатолий Звездин. По этому поводу я вам могу даже пример при-
вести. То есть уровень был приличный. Я вот уже по-
ездил довольно много после этого по миру и могу ска-
зать, что он определённо был выше тогдашнего евро-
пейского уровня. И не ниже среднего американского и
японского – это и американцы признавали. Вот такова
была картина. Потом всё это, конечно, рухнуло – очень
сильный удар был нанесён перестройкой.
Конкретно, я и мои коллеги, мы занимались сверх-
большими интегральными схемами на магнитных до-
менах – «магнитных пузырях» – так это называлось.
Ну, сделали эти схемы, внедрили. Они довольно хоро-
шо пошли в то время: у нас, и в Штатах, и в Японии та-
кие схемы делали – но они не выдержали конкуренции
с дисками. Это был, конечно, проигрыш, но это не бы-
ло поражением. Поскольку диски получили в результа-
те этой конкурентной борьбы такой колоссальный им-
пульс, которым они до сих пор пользуются. И удваива-
ют через каждые полтора года свою плотность записи
и быстродействие. Это я считаю результатом той са-
мой конкурентной борьбы.
А кроме того, мы получили колоссальное количество
научного знания о магнетизме. Это был колоссальный
прорыв для магнетизма. До сих пор мы этим пользуем-
ся.
Вот это были 60-70-е годы. Ну и результат этой тех-
нологической деятельности – это кремниевая техноло-
гия. Пентиумы, сотовая телефонная связь – всё это ре-
зультат этой деятельности 60-70-х годов. До сих пор
это всё продолжает развиваться и приносить плоды.
Следующий шаг – 80-е годы принесли новый колос-
сальный прорыв, но уже в нанонаправлении. Бининг и
Рорер – швейцарские физики из Цюриха, из лаборато-
рии фирмы IBM, сделали так называемый сканирую-
щий туннельный микроскоп. Это Костя знает хорошо,
вы тоже знаете это, конечно.
Этот микроскоп даёт возможность прямо наблюдать
атомы и электронную плотность на поверхности. Это
довольно простая, в принципе, штука. Представьте се-
бе платформу, которая может ползать по поверхности
кристалла с нанометровым разрешением. Она упра-
вляется пьезо-приводом, к этой платформе крепится
игла с атомным разрешением. Она плавает над по-
верхностью на расстоянии примерно от одной десятой
нанометра до нанометра. Измеряя туннельный ток, мы
измеряем электронную плотность. Просто. Но это ко-
лоссальный шаг вперёд. И потом уже позднее, на ба-
зе этого открытия, этого прибора, целая плеяда новых
приборов появилась.
Это атомный силовой микроскоп, который измеряет
рельеф поверхности с атомным разрешением.
Атомный магнитный микроскоп, который даёт опять
же с нанометровым разрешением направление маг-
нитных моментов на поверхности. Потом были сдела-
ны такие же устройства, которые локально могут изме-
рять ядерный магнитный резонанс, электронный спи-
новый 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 бы-
ло сделано где-то уже к 90-му году. И как демонстра-
ция этих достижений, мне нравится вот такая картинка
– исследователи из фирмы Ай-Би-Эм написали на ме-
таллической поверхности три буквы – IBM. Но написа-
ли это атомами ксенона! Это был 90-й год.
Константин Звездин. Сколько атомов в букве?
Анатолий Звездин. 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 бы-
ла веха. Вот такой примерно исторический фон, на ко-
тором развивалась нанотехнология. Сейчас мы на по-
роге фактически нового века – века нанотехнологии.
Я бы показал несколько основных элементов наибо-
лее популярных в настоящее время в наномире, они
на картинке нарисованы. Это элементы – квантовые
ямы, сверхрешётки, квантовые проволоки или кванто-
вые нити, как ещё их называют. Квантовые точки, маг-
нитные точки. Это всё элементы нанофизики, нанотех-
нологии, они особенно интересны, конечно, для нано-
электроники. Они показаны там на рисунках. Здесь,
в этих названиях, термины – проволоки, точки, ямы –
очевидно связаны с геометрическим фактором, харак-
терным для этих объектов. А прилагательное «кван-
товый» – отражает тот факт, что движение электрона
в этих объектах подчиняется не классическим законо-
мерностям, 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 эле-
менты показаны на рисунке, в которых порядка тыся-
чи атомов. И, конечно, движение электронов в них то-
же является квантовым, т.е. это тоже чисто квантовые
объекты. Их чёртова гибель, этих кластеров, поэтому
это богатейшая область для создания новых материа-
лов и новых приборов.
Александр Гордон. Простите, сам кластер ведёт себя как макрообъ-
ект, а электроны внутри кластера ведут себя уже как
квантовые объекты?
Анатолий Звездин. Электроны как квантовые, и сам кластер ведёт
себя тоже так же, я буду по этому поводу позже гово-
рить. То есть сам кластер в некотором смысле ведёт
себя тоже как квантовый объект. У него есть некая кол-
лективная, как её называют, переменная, которая под-
чиняется законам квантовой механики. Я об этом рас-
скажу попозже.
Мы работаем с магнитными кластерами. Они инте-
ресны тем, что у них появляется дополнительная сте-
пень свободы – магнитная. Ею можно управлять, по-
этому свойства у них более разнообразные. Интерес-
но, что именно магнитные нанообъекты пришли на фи-
ниш практического применения раньше других. Но об
этом расскажет Константин.
Константин Звездин. Раздел электроники, который занимается маг-
нитными наноструктурами называется «спинтроника».
В отличие от классической микроэлектроники, которая
использует только заряд электрона, спинтроника ещё
использует его магнитный момент, т.е. появляется до-
полнительная степень свободы.
Рождением этого направления можно считать от-
крытие эффекта гигантского магнитосопротивления в
88 году. Что это за эффект? Берётся трехслойная
структура из двух магнитных слоёв и немагнитной про-
водящей прослойки. Вот нечто подобное показано на
рисунке. Электрическое сопротивление такой структу-
ры 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%, сей-
час 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 напра-
влении намагниченности в слоях и при антипарал-
лельном, т.е. антиферромагнитном. Первое практиче-
ское применение таких структур – это головки жёстких
дисков. Не все заметили этот факт, но буквально за не-
сколько лет информационная плотность жёстких дис-
ков увеличилась в 20 раз – благодаря использованию
этого эффекта.
Анатолий Звездин. Простите, я перебью. GMR-эффект – это как раз
наноэффект. Размеры элементов здесь должны быть
много меньше длины свободного пробега.
Константин Звездин. Да, в больших структурах это всё не работает.
Я здесь остановлюсь на том, как устроен жёсткий
диск. Фактически этот диск покрыт магнитным мате-
риалом, и информация хранится в форме доменной
структуры, которая создана на поверхности этого дис-
ка. 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 взаимодей-
ствию с поверхностью доменной структуры. И в зави-
симости от того, единица или ноль записана в этом би-
те, т.е. в этой области диска, меняется (или не меня-
ется) ориентация нижнего слоя, и мы получаем сигнал
или не получаем его. То есть в бинарном виде это ра-
ботает.
И, естественно, огромная задача для индустрии, ко-
торая занимается этими дисками, как можно меньше
сделать размер, который занимает один бит инфор-
мации. То есть, как можно плотнее записать. Но на
этом пути существует так называемый суперпарамаг-
нитный барьер, предел. Что это такое? Существует
такой критический размер домена, при котором из-
за термофлуктуаций он спонтанно перемагничивает-
ся. То есть без действия каких-либо внешних полей ин-
формация теряется. То есть ниже, мельче, чем позво-
ляет это ограничение, не получается сделать величи-
ну бита.
Александр Гордон. Технологически не получается или теоретиче-
ски? Потому что если флуктуация температурная, то
можно придумать какую-то систему защиты, стабили-
зации.
Анатолий Звездин. Ну, например, понизить температуру устрой-
ства – правда, это усложняет систему колоссально.
Александр Гордон. Да-да-да, то есть теоретически это возможно,
технологически это невыгодно.
Константин Звездин. Это абсолютно правильно. То есть размер за-
висит от многих факторов, в том числе и от матери-
ала. Есть такая величина – константа магнитной ани-
зотропии. Она описывает, насколько жёстко держится
намагниченность, насколько велика коэрцитивная си-
ла. Но с другой стороны, мы не можем сильно увели-
чивать эту константу, потому что тогда усложняется за-
пись. То есть нам большее поле надо приложить ло-
кально для того, чтобы изменить битовое состояние. И
опять же это усложнение системы. Сейчас один из пу-
тей решения этой проблемы – создание так называе-
мой пространственно неоднородной магнитной среды.
В отличие от современных дисков, которые предста-
вляют собой сплошную магнитную поверхность, на не-
магнитную поверхность в этом случае нанесены маг-
нитные частицы с каким-то определённым периодом.
Анатолий Звездин. Магнитные точки даже.
Константин Звездин. И фактически бит хранится в форме ориента-
ции намагниченности одной частицы. Это вот позво-
ляет несколько отодвинуть суперпарамагнитный пре-
дел. И отодвинуть, то есть уменьшить размер бита, т.е.
увеличить плотность записи. Сейчас цель индустрии
жёстких дисков – достичь плотности 100 гигабит на ква-
дратный дюйм. Считается, что это будет достигнуто в
этом или в следующем году.
Александр Гордон. Но это будет предел для этой технологии?
Константин Звездин. Ну, это некий шаг, который нужно сделать.
Александр Гордон. 100 гигабит на квадратный дюйм? Потрясающе.
Константин Звездин. Следующее коммерческое применение нано-
технологии, которое будет через несколько лет на рын-
ке, это магнитная оперативная память. В настоящее
время используется полупроводниковая магнитная па-
мять, 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 выключает-
ся питание, то мы теряем наши несохраненные доку-
менты.
С магнитной памятью дело обстоит совершенно по-
другому. Как устроена ячейка магнитной памяти? Это
такая же трехслойная структура, и в простейшем слу-
чае, 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 та-
ких элементов мы строим матрицу, то есть, таким обра-
зом мы можем считывать информацию с каждого эле-
мента.
Александр Гордон. А вот эта кластерная структура записи инфор-
мации, насколько важно её сохранить при новых тех-
нологиях или есть другие пути записи?
Константин Звездин. То есть вы имеете в виду жёсткие диски?
Александр Гордон. Да.
Константин Звездин. Нет, то, что я говорю, это просто уменьшение
битового размера. То есть технология записи остаётся
в нашем случае та же самая.
Александр Гордон. Понятно.
Константин Звездин. Но буквально в последние годы открыты неко-
торые новые эффекты, которые оставляют далеко по-
зади эффект гигантского магнитного сопротивления. В
том числе магнитное сопротивление в нано-проволо-
ках и нано-мостиках. Что такое нано-мостик? В 2000-м,
если я не ошибаюсь году, в Испании были проведены
эксперименты, состыковывались две нано-проволоки
с атомарной толщины наконечниками, до тех пор пока
не получали электрический контакт. А затем перемаг-
ничивали одну из нано-проволок. И величина магнито-
сопротивления получалась фантастическая – сотни и
тысячи процентов.
Анатолий Звездин. Даже недавно получено 100 тысяч.
Константин Звездин. 100 тысяч процентов – то есть это фактически
бесконечность.
Анатолий Звездин. Здесь квантовые эффекты проявляются…
Александр Гордон. По теории вы сейчас нас подтянете. Я хочу до-
слушать, что у нас по технологии.
Константин Звездин. С некоторой точки зрения, это может стать на-
чалом новой революции в спинтронике.
И ещё я хотел бы остановиться на методах изуче-
ния таких объектов. Спинтронные структуры обладают
огромным количеством параметров. То есть экспери-
ментальное их изучение – это очень трудоёмкий про-
цесс, дорогостоящий, занимает много времени и так
далее. И здесь на помощь приходит, как обычно сей-
час, компьютерное моделирование. И очень активно
используется в настоящее время так называемый ми-
кромагнитный подход.
Магнитный слой разбивается, грубо говоря, на кир-
пичики, на маленькие прямоугольники. И каждый из
них обладает своим собственным магнитным момен-
том. И причём каждый из этих кирпичиков магнитоста-
тически взаимодействует со всеми кирпичиками, кото-
рые формирует система. И модель позволяет варьиро-
вать и физические параметры, и геометрию. То есть из
таких кирпичиков можем составлять любую магнитную
структуру с необходимыми физическими свойствами.
И мы можем моделировать реально процесс перемаг-
ничивания. Фактически мы строим виртуальный прото-
тип элемента, подбираем оптимальные параметры. И
только после этого образец подаётся уже в лаборато-
рию.
Александр Гордон. С неё начинают строительство непосредствен-
но…
Константин Звездин. Да, то есть строится виртуальный прототип, из-
учается его поведение. Причём, что интересно, часто
обнаруживаются некие новые эффекты, которые труд-
но предсказать теоретически. И их экспериментально
было бы достаточно сложно обнаружить. И они вот та-
ким образом обнаруживаются, и потом можно уже это
экспериментально их получить.
Где ещё используются магнитные нано-структуры?
Очень широко они используются в сенсорах всевоз-
можных. Сейчас очень быстро развивается техноло-
гия так называемая MEMS, то есть микромеханические
системы, микроэлектромеханические системы. Это то,
что мы видели в фантастических фильмах, это ма-
ленькие жучки, паучки, маленькие роботы каких-то
миллиметровых размеров, которые используются во
всех областях человеческой деятельности. И для упра-
вления точной механикой этих систем активно исполь-
зуются также магнитные сенсоры. Также такие сенсо-
ры используются в автомобильной промышленности,
очень активно, как датчики скорости, в медицине, в аэ-
рокосмической области, то есть поле применения их
очень широкое.
Александр Гордон. Теперь подтяните нас по теории. Почему эти на-
но-мостики обладают таким потрясающим эффектом?
Анатолий Звездин. Вообще-то вопрос в стадии исследования. Но
один из ответов, один из возможных ответов, мо-
жет быть основан на эффекте квантового сопротивле-
ния нано-мостиков. Известно, что сопротивление на-
но-контакта квантуется, имеется квант сопротивления.
И вот тогда, когда диаметр мостика меньше некоторого
критического, то мостик практически закрыт. И мы мо-
жем его закрыть, скажем, сделав так, что спины в бере-
гах мостика направлены навстречу друг другу. Тогда он
закрыт. Полностью закрыт. Это квантовый эффект. Это,
если хотите, бесконечное сопротивление. Когда мы де-
лаем их параллельными, он открывается. То есть фак-
тически он то закрыт, то открыт – это реальный факт.
Значит, вопрос заключается в том, действительно ли
он реализуется в тех экспериментах, которые сейчас
сделаны. Здесь пока вопрос открыт.
Константин Звездин. Но сотни тысяч процентов наблюдались.
Анатолий Звездин. Это наблюдалось, да.
Мне хотелось бы сейчас действительно вернуться
к физике. Вот в области магнитных нано-структур, в
области суперпарамагнетизма имеется много интерес-
ных квантовых эффектов, где встречаются квантовые
и классические закономерности, как мы сказали. И я,
по ограниченности времени, конечно, могу говорить
только об одном эффекте. Таким интересным эффек-
том является явление магнитной релаксации магнит-
ных материалов. Давайте начнём с классики. Если мы
возьмём обычный постоянный магнит, который мы в
нашей обыденной жизни привыкли видеть, и намагни-
тим его вдоль определённого направления, например,
вдоль лёгкой оси, то он практически постоянно будет
находиться в этом состоянии равновесия. Хотя име-
ется другое состояние равновесия, противоположное
ему.
Но ситуация меняется, когда мы уменьшаем размер
элемента, объём элемента. Первым обратил на это
внимание Луи Неель, знаменитый французский физик.
Он изучал магнетизм земных пород и обратил внима-
ние, что действительно, когда частички становятся ма-
ленькими, то они могут спонтанно размагничиваться,
благодаря тепловым флуктуациям, как Костя нам об
этом уже рассказал. И он вывел формулу для скорости
спонтанного размагничивания, она выглядит как некая
экспонента знаменитой формулы Аррениуса и показы-
вает, что скорость спонтанного размагничивания, т.е.
скорость релаксации, уменьшается, когда температу-
ра стремится к нулю, и она обращается в нуль, когда
температура идёт в ноль. Но это с точки зрения здраво-
го смысла это естественно. Тепловые флуктуации идут
в ноль, и, значит, естественно, никакого перемагничи-
вания спонтанного нет.
Когда начали делать эксперименты, обнаружили,
что, в общем-то, всё укладывается хорошо в теорию
Луи Нееля. Но когда начали экспериментировать с
ещё более мелкими, нанометровыми частицами, об-
наружили интересный факт. Оказалось, что действи-
тельно, она идёт по Неелю, но когда мы приходим к
низким температурам, порядка Кельвина, оказывает-
ся, что скорость становится постоянной и при дальней-
шем понижении температуры не меняется. Это удиви-
тельный факт. Довольно быстро была выдвинута идея,
что здесь мы имеем дело с макроскопическим кванто-
вым туннелированием намагниченности частицы.
Александр Гордон. Макроскопическим?
Анатолий Звездин. Да, магнитный момент всей частицы, макроско-
пический, он туннелирует как целое. Это напоминает,
помните, кота Шрёдингера. Так вот эта частица, этот
магнитный момент как целое, он переходит в другое
состояние. Удивительный факт.
Александр Гордон. То есть этот туннельный эффект, по сути дела –
макроскопический?
Анатолий Звездин. Макроскопический, да. Конечно, это колоссаль-
но интересная штука, но не все физики согласились
с этой идеей. Возражали, что частицы очень различ-
ны по размерам, дисперсия размеров есть. Поэтому
скорости, размагничивая в разных частицах, тоже бу-
дут сильно различаться. И тут, в общем, можно всё что
угодно получить. То есть возник тупик некий.
Но оказалось так, что параллельно с этим экспери-
ментом появился новый интересный объект в супер-
парамагнетизме. Это магнитные молекулы. Вот они
здесь показаны. Магнитные молекулы – это органиче-
ские молекулы, в которых имеются магнитные ионы. То
есть это тоже, можно сказать, магнит, но на молекуляр-
ном уровне. И в отличие от магнитных частиц, тут они
все калиброваны, так сказать, от Бога размер задан. И
поэтому, если работать с такими объектами, уже ника-
ких проблем с размером не возникает.
Итальянцы из Флоренции под руководством про-
фессора Гаттески, они такие материалы синтезирова-
ли, ну, и конечно, физики их сразу подхватили, Mn-12,
вот это нижняя левая молекула. И её взяли как основ-
ную и модельную, и на ней провели эксперименты. Эти
эксперименты буквально несколько лет тому назад бы-
ли сделаны. Сделаны они были в Гренобле и Нью-Йор-
ке. И они, эти эксперименты, полностью доказали, что,
действительно, здесь мы имеем дело с макроскопиче-
ским тунеллированием намагниченности. Вот это от-
вет на ваш вопрос. Электроны там только квантовыми
свойствами обладают или в целом весь кластер? Вот
здесь оказывается, что весь кластер проявляет кван-
товые свойства.
Александр Гордон. А какими свойствами в данном случае обладает
барьер?
Анатолий Звездин. Это хороший вопрос. Барьер, это фактически
магнитная анизотропия, но в молекуле. И вот, моле-
кула марганец-12, это действительно молекулярный
магнит, она обладает петлёй гистерезиса, то есть у
неё имеется анизотропия. То есть это магнит на мо-
лекулярном уровне. И вот это интересно и с практи-
ческой точки зрения. Поскольку это магнит на моле-
кулярном уровне, то мы можем использовать его для
записи информации, т.е. одну молекулу. Конечно, эта
идея очень простая, она появилась совсем недавно в
«Нью-Йорк таймс», американские физики, её запусти-
ли. Сумасшедшая плотность, конечно. Она на четы-
ре порядка больше, чем плотности современных маг-
нитных дисков и так далее. Но идея, честно говоря,
слишком сырая, слишком много трудностей, проблем
на этом пути.
Константин Звездин. То есть управление.
Анатолий Звездин. Не только управление. Это хранение инфор-
мации, низкая температура нужна и так далее. Но в
целом идея здравая и она, конечно, не только у аме-
риканцев, она и во всех лабораториях обсуждалась.
Только американцы её смело подали в газету.
Но понятно сейчас, что нужно делать крупные моле-
кулы для того, чтобы организовать эту систему. А для
того чтобы сделать крупную молекулу, надо знать, как
устроены молекулы внутри, какие там взаимодействия
и так далее.
Александр Гордон. То есть речь идёт уже не о синтезе органических
молекул, которые обладают этими свойствами, а о со-
здании некой молекулы.
Анатолий Звездин. О создании новых молекул, да. То есть надо
разобраться с этими взаимодействиями. И вот я вам
сейчас могу рассказать про эксперименты, которые
мы провели сравнительно недавно с этими молекула-
ми. Основная идея их была – полностью намагнитить
эту молекулу. Она так сложно устроена, что для это-
го нужны поля порядка миллионов гаусс. Это большая
проблема. Но оказалось, в России такие поля есть. И
они есть в Арзамасе-16, в Сарове – это федеральный
ядерный центр. Они были созданы тогда, когда Са-
харов ещё там работал. Он был создателем этих по-
лей. Потом академик Павловский подхватил это дело,
и сейчас они сохранились.
И вот несколько лет тому назад меня пригласили ту-
да на чашку чая обсудить возможности использования
их полей для магнитных физических измерений. И од-
но из предложений, которое мы обсуждали, это вот на-
магничивание этих больших молекул. Вернувшись от-
туда, мы с моим другом, профессором Поповым Алек-
сандром Ивановичем из Зеленограда, рассчитали этот
процесс намагничивания. И обнаружили одну интерес-
ную штуку, что процесс действительно идёт в мега-
гауссных полях, но идёт квантовым образом, кванто-
вые скачки возникают. И после этого расчёта мы до-
стали эти материалы, французы, итальянцы помогли
с этим делом, и начали эксперименты. Несколько лет
вели, у нас в России, в Арзамасе-16, в Сарове, в Аме-
рике, в Лос-Аламосе, американцы тоже к этой работе
подключились. И в результате действительно измери-
ли процесс намагничивания, получили петлю намагни-
чивания, то есть полностью намагнитили молекулу. И
действительно увидели, что процесс намагничивания
идёт путём квантовых скачков. Вот сейчас эту картинку
хорошо было бы показать.
То есть процесс намагничивания молекулы идёт
путём квантовых скачков. Это был важный момент. И
вот эта нижняя кривая, она как раз показывает, как
ведёт себя восприимчивость этой молекулы, виден пик
восприимчивости, он находится при полях примерно
600 Тесла, то есть это 6 миллионов Эрстед. Это реаль-
но было всё сделано. И я эту картинку очень люблю и
горжусь этой картинкой. Какой результат? То есть фак-
тически мы сейчас, после того как включились теоре-
тики и раздраконили эту молекулу, мы знаем все вза-
имодействия. Конечно, работы ещё довольно много с
этой молекулой и с другими. Но это путь к измерению
того, как внутри устроены эти молекулы, это нужно для
синтеза новых молекул. Вот это самый последний и но-
вый результат. И это тоже проявление квантового по-
ведения этих объектов.
Александр Гордон. А синтез нужен для создания новых технологий,
которые приведут в том числе и к созданию новых ма-
крообъектов, которые будут работать на нанопринци-
пах. Например, компьютеров.
Анатолий Звездин. Именно так. То есть обнаружение макроскопи-
ческого квантового поведения магнитных молекул –
это интересно с физической точки зрения. Но здесь
есть и шаг к квантовому компьютеру. И такие компью-
теры квантовые на вот этом принципе использования
магнитных нанокластеров, они предложены. Они пред-
ложены и европейскими физиками, американскими, и
у нас есть свои идеи в этом направлении. Но, нужно
сказать, всё ещё впереди, вся работа впереди.
Александр Гордон. Понятно. Говоря об этих компьютерах, всё-та-
ки в чём будет принципиальное, кроме способа хране-
ния информации, различие между классическими ком-
пьютерами и квантовыми компьютерами? Это что, ско-
рость обработки информации или это попытка реше-
ния задач, которые принципиально не могут быть ре-
шены на классических компьютерах?
Анатолий Звездин. Я думаю, второе. То есть фактически здесь речь
идёт о задачах, которые принципиально трудны для
классических компьютеров, сила квантового компью-
тера в том, что он позволяет проводить параллельные
вычисления. Ну, представляете это, что бит классиче-
ский – это два состояния. А кьюбит квантовый, т.е. бит
квантового компьютера, это фактически все состояния
на сфере. И, конечно, поэтому и эффективность кван-
тового компьютера намного сильнее.
Но сейчас в наше время на этом пути сделаны толь-
ко двухкубитные системы, из двух битов.
Александр Гордон. Я так понимаю, что отказ от бинарной системы
записи влечёт за собой отказ и от формальной логики,
которая буквально преследует компьютерную технику
и компьютерные программы сегодня. То есть, грубо го-
воря, современный компьютер, как бы ни была написа-
на программа, не может решить вопрос: кто красивее
– женщина или паровоз? – обладая только этим набо-
ром данным. А квантовый компьютер может попытать-
ся ответить на этот вопрос – со своей точки зрения, ра-
зумеется.
Анатолий Звездин. Если мы в него что-то сможем внести. Но сейчас
пока реализованы только двухкьюбитные системы.
Александр Гордон. А уже есть прототипы такие?
Анатолий Звездин. А вот буквально за последние годы, за послед-
ний год даже, два я примера знаю. На кремнии с фос-
фором – есть такой квантово-компьютерный центр в
Австралии. Они сделали двухкубитную систему. И бу-
квально недавно сделали на джозефсоновских эле-
ментах двухкубитную систему. Это тоже интернацио-
нальная группа, состоящая из наших, российских фи-
зиков, из японских, из американцев, два таких вариан-
та сейчас есть.
Александр Гордон. Но всё-таки, прогнозируя революционные изме-
нения (это очень, кстати, похоже на график намагничи-
вания вашего) – должен быть какой-то взлёт по разви-
тию технологии, за достаточно короткое время. Когда
вы его прогнозируете, этот взлёт?
Анатолий Звездин. Вы имеете в виду технологию квантовых ком-
пьютеров?
Александр Гордон. Не обязательно квантовых компьютеров. Как это
точнее сказать-то… Квантовые матрицы больше сей-
час, чем двухкюбитные.
Анатолий Звездин. Как говорят специалисты, что для того чтобы
квантовый компьютер мог конкурировать с современ-
ными бинарными компьютерами, нужно чтобы компью-
тер состоял примерно из тысячи кюбитов, тогда они
могут конкурировать. Но сейчас два. Если опереться
опять же на тот закон Мура и считать, что за полтора
года его интеграция удвоится, где-то через 15-20 лет
до тысячи дойдём. Если, конечно, в этой области этот
закон будет работать.
Александр Гордон. Да. Ну, хорошо, я всё время вспоминаю Симо-
на Шноля, который любому теоретику говорит: «А что
от этого нашему колхозу?» Кроме компьютерных тех-
нологий, о которых вы уже упоминали, нанотехнологии
могут работать буквально везде. В ближайшее время
каких нам здесь прорывов ждать?
Анатолий Звездин. Костя, по-моему, хотел об этом сказать, но не
сказал почему-то. Вот магнитные нано-кластеры, на-
но-частицы, они не только в спинтронике интересны.
Из ультрадисперсной системы, – грубо говоря, это ор-
ганика, и пластмасса, и в неё погружаются эти малые
частицы – можно делать массу всяких интересных ве-
щей.
Александр Гордон. А именно?
Анатолий Звездин. Постоянный магнит, это всем известно сейчас.
Константин Звездин. Мягкие магниты фактически.
Анатолий Звездин. Да. Причём в Штатах сейчас это очень здорово
развивается. Они делают, скажем, магнитную рекламу.
Она как лента – на автомобиле, где угодно крепится.
И хотя эта работа требует использования очень мелко-
дисперсного порошка, но его можно покупать. Пласт-
масса тоже, так сказать, не Бог весть какая технология.
Это могут делать малые предприятия, малые фирмы –
и делают. Вот у нас в университете я знаю команду, они
активно в это дело влезли, они, например, изобрели
магнитную пену для того, чтобы всякое масло, нефть с
поверхности моря снимать. Другая интересная штука –
магнитный клей. Вот это то, что колхоз может исполь-
зовать, если колхозом назвать малую фирму.
Александр Гордон. Малое предприятие.
Анатолий Звездин. Малое предприятие, да.
Константин Звездин. Или, например, MRAM, который появится, бу-
квально, это может быть, в следующем году. С её помо-
щью переносной компьютер, ноутбук сможет без под-
зарядки работать несколько месяцев. Сейчас огром-
ное количество энергии тратится на обновление ин-
формации в оперативной памяти, эта энергия будет
сохраняться. То есть фактически энергия будет тра-
титься только во время обработки операции.
Александр Гордон. То есть на той же самой литиевой батарее, толь-
ко срок жизни компьютера возрастёт необычайно.
Константин Звездин. Или, например, мобильный телефон, которым
можно без подзарядки пользоваться месяцами.
Анатолий Звездин. Но это малое предприятие не потянет.
Александр Гордон. Но что-то же мы должны отдать из этой техно-
логии большим.
Анатолий Звездин. Но на самом деле то, о чём мы сейчас говорим,
это из области прогнозов. А 20-й век показал нам, что
прогнозы – очень неблагодарное дело. И многие, ещё
после войны, когда началась микроэлектроника, мно-
гие прогнозировали на ближайшие 20-30 лет, и их про-
гнозы оказались намного более робкими, чем действи-
тельность.
Константин Звездин. Кроме прогнозов Фейнмана, наверное.
Анатолий Звездин. Да, конечно.
Александр Гордон. Это даже не прогноз, это установка к действию.
Это как рассказ о том самом лондонце, который пред-
ставлял себе Лондон конца 21 века погрязшем в на-
возе, потому что будет столько лошадей, что убирать
за ними… Ну, что? Вот видите, хоть вы вселяете опти-
мизм какой-то.


Обзор темы


В научном фольклоре наших дней есть крылатые слова: “если из всех накопленных знаний потребовалось бы сохранить одну фразу, концентрирующую самые важные из них, то это было бы утверждение: “Весь наблюдаемый мир состоит из атомов””.
В наши дни мечта использовать атомы в качестве строительного материала для создания искусственных конструкций и веществ, не существующих в природе, становится реальностью. В последние 10—15 лет в физике, химии и технологии разработаны методы, позволяющие манипулировать с отдельными атомами и молекулами, совершать операции, которые естественно описывать в терминах конструирования на молекулярном уровне.
Возникающие новые научные направления снабжают приставкой “нано” (от греч. νανοσ — карлик): нанофизика, наноэлектроника, нанотехнология и т.д., подчеркивая тот факт, что характерный размер объектов в этой области порядка 1 нм – 10 –9 м на уровне размеров атомов и молекул.
Современные возможности блестяще продемонстрировали физики из исследовательского центра корпорации IBM: им удалось уложить 35 атомов ксенона в буквы “I”, “B”, “M” высотой около 9 нм. Это было сделано в начале 1990 г. К настоящему времени получены разнообразные наноструктуры, из которых наиболее популярны квантовые и магнитные точки, квантовые ямы, квантовые нити, нанопроволоки, сверхрешетки. Сверхрешетки представляют собой искусственные нанофазные материалы — многослойные структуры с чередующимися ультратонкими слоями (порядка одного или нескольких нанометров), состоящими из атомов определенного сорта. Примером могут быть сверхрешетки Ge/Si, Fe/Cr, Co/Cu и др.
Термины “точки”, “ямы”, “нити”, проволоки” характеризуют главным образом очевидные геометрические свойства этих объектов, прилагательное “квантовый” отражает тот факт, что их поведение и свойства в значительной степени определяются не классической, а квантовой механикой.
В мире нанообъектов одно из центральных мест занимают ультрамалые частицы, состоящие из небольшого числа атомов (10-10000). Эти образования называют по-разному: наночастицами, нанокристаллами, квантовыми точками, но чаще всего - нанокластерами. Их свойства, как правило, разительно отличаются от объемных свойств материалов такого же состава. Поэтому нанокластеры рассматривают как “крупные блоки” для конструирования новых материалов и приборов.
Особенно интересны магнитные нанокластеры, так как наличие внутренней, дополнительной степени свободы - магнитного момента - придает большое разнообразие их свойствам и позволяет управлять их состоянием.
Итак, с точки зрения приложений эти объекты интересны, если их состоянием удается воспроизводимым образом управлять. Для магнитных материалов этого можно добиться при помощи внешнего магнитного поля.
Магнетизм - квантовомеханическое явление по сути. Атомы многих элементов таблицы Менделеева обладают магнитным моментом благодаря нескомпенсированному спину электронов. Среди них наибольшего внимания заслуживают атомы переходных металлов (Fe, Co, Ni и др.), лантаноидов (редкоземельных элементов) и актинидов. Молекулы, как правило, диамагнитны, хотя есть и исключения, например молекула кислорода. Что касается макроскопических веществ, то их магнитные свойства уже не так просты, поскольку не связаны напрямую с магнитными моментами составляющих их атомов или молекул.
Магнитные свойства отдельных атомов хорошо поняты. Свойства магнитных кристаллов, содержащих атомы переходных или редкоземельных элементов, также подробно изучены, хотя и в настоящее время здесь остается целый ряд вопросов. Дело в том, что возникающий в этих материалах дальний магнитный порядок не есть результат простой суперпозиции магнитных вкладов отдельных атомов. Магнитное упорядочение - это коллективный квантовомеханический эффект, в основе которого лежит специфическое взаимодействие между спинами атомов, обусловленное принципом Паули. Это взаимодействие называется обменным.
Обменное взаимодействие может индуцировать в макроскопических областях материала параллельное ориентирование спинов (ферромагнетизм), антипараллельное - в соседних узлах решетки (антиферромагнетизм) или - более сложные формы магнитного упорядочения.
Магнитные кластеры представляют собой звено, соединяющее микроскопический магнетизм индивидуальных атомов и макроскопический магнетизм кристаллических и аморфных тел. Поэтому их называют иногда мезоскопическими магнитами. Термины “мезоскопический”, “мезоскопика” происходят от греческого слова mesos - средний, промежуточный. Принципиальное значение изучения мезоскопических элементов состоит в том, что она дает возможность понять особенности перехода от микроскопических закономерностей к макроскопическим; эти исследования важны также для изучения и установления предельных свойств мезообъектов и, значит, определения достижимых границ миниатюризации электронных приборов и элементов памяти.
При изучении свойств мезоскопических магнитов возникает ряд специфических проблем. Первая - технологическая. Как создать нанокластеры с контролируемыми размерами и свойствами? Традиционный путь, в основе которого лежит классическая в микроэлектронике технология литографии, дополняется в настоящее время новыми подходами, основанными на использовании молекулярных пучков, сканирующей туннельной микроскопии, химического синтеза, биоминерализации.
Вторая проблема - как измерить физические величины, характеризующие магнитные свойства ультрамалых частиц, размер которых составляет величину порядка 1-100 нм? В идеале нужно было бы измерить характеристики индивидуальной изолированной частицы, чтобы исключить влияние взаимодействия между частицами и разброса в их размерах. Такие измерения требуют очень чувствительной техники. Среди недавних достижений в этой области нужно отметить магнитный силовой микроскоп (лучше сказать наноскоп) и интегральный СКВИД.
Мир миниатюрных магнитов. От доменов к однодоменным частицам. Уже более 50 лет тому назад, в ходе изучения доменной структуры ферромагнетиков был поставлен вопрос: можно ли создать образцы магнитоупорядоченные, но без доменной структуры? Что это даст? Ведь наличие доменной структуры сильно осложняет поведение магнитных тел, поскольку многие важные свойства, связанные с ней, зависят от таких факторов, как дефекты материала, форма образца, механические напряжения, состояние поверхности и т.п. Поэтому эти трудно контролируемые факторы влияют на процесс намагничивания, магнитоупругие, кинетические, высокочастотные, оптические характеристики. Предполагалось, что в образцах без доменной структуры подобное влияние будет исключено.
На макроскопические домены объем магнитного материала разбивается из-за стремления системы к состоянию с минимумом полной энергии, складывающейся из нескольких составляющих — магнитостатической, магнитоупругой, обменного взаимодействия и магнитной анизотропии. Магнитная анизотропия (то есть зависимость магнитных свойств от направления в образце) порождена тем, что внутрикристаллическое поле не одинаково вдоль разных кристаллографических осей, и поэтому магнитный момент атома стремится выстроиться вдоль какого-либо выгодного направления, снижающего энергию. Обменное взаимодействие заставляет все элементарные магнитные моменты ориентироваться параллельно друг другу, но такое однородно намагниченное состояние характеризуется большой магнитостатической энергией. Образование доменов с различающимися направлениями вектора намагниченности (в образце достаточно больших размеров) эту энергию снижает. Однако между доменами появляются переходные области — доменные стенки, и их вклад в энергию становится все весомее по мере снижения линейных размеров системы.
Критический размер образца, ниже которого существование доменов в нем энергетически невыгодно, рассчитал известный магнитолог профессор МГУ Е.И. Кондорский еще в 1952 г. Эта величина оказалась равной примерно 10 нм для классических ферромагнетиков типа Fe, Ni, Co. Образование доменной границы сопровождается затратой энергии, которая в разных материалах варьирует в пределах 0.01—1 эрг/см2.
Модель перемагничивания однодоменных частиц. Английские физики Э.Стонер и Э.Вольфарт предложили простую и элегантную модель перемагничивания однодоменных частиц. Согласно модели процесс перемагничивания частицы происходит когерентно: все спины образца поворачиваются так, что все время остаются ориентированными параллельно друг другу. Это означает, что энергия образца фактически зависит от одной коллективной переменной, например единичного вектора, направленного вдоль вектора намагниченности.
В простейшем случае плотность энергии образца E представляется как алгебраическая сумма плотностей энергий магнитной анизотропии и взаимодействия магнитного момента с внешним полем H:
E = Ksin2θ + MHcosθ. (1).
В формуле (1) K — константа одноосной магнитной анизотропии, M — намагниченность, θ — угол между вектором намагниченности частицы и осью z, направленной вдоль оси легкого намагничивания (которую обычно называют просто легкой осью). Знак “плюс” в равенстве (1) подразумевает, что вектор напряженности внешнего поля H ориентирован против оси z, и это направление для него считается положительным. Нетрудно найти возможные устойчивые ориентации магнитного момента, соответствующие минимумам энергии (1) как функции угла θ. В отсутствие внешнего магнитного поля и при его наличии эта зависимость выглядит по-разному. Если напряженность внешнего поля невелика (H < Hc = 2K/M), то, как и в первом случае, во втором энергия имеет два минимума, которые отвечают двум противоположным ориентациям вектора намагниченности параллельно легкой оси (θ = 0 и θ = ), и один максимум. Но только без поля энергия в минимумах одинакова и равна нулю, а при наличии поля эта симметрия нарушается. Один минимум энергии (θ = 0) соответствует метастабильному состоянию, другой, θ = , — равновесному; его называют также глобальным минимумом энергии. Энергетический барьер, разделяющий эти два состояния, зависит от величины поля H. Если увеличивать внешнее поле, то при достижении критического значения H = Hc барьер, отделяющий метастабильное и стабильное состояния, исчезнет. Магнитный момент, если он находился в состоянии θ = 0, переориентируется в противоположном направлении (θ = ), т.е. выстроится вдоль внешнего магнитного поля. Этот процесс называют переключением, а поле Hc — полем переключения.
Моделирование перемагничивания с помощью компьютерных программ. Исследования последних лет показали, что картина перемагничивания малой частицы, следующая из модели Стонера—Вольфарта, не вполне точна. Хотя в равновесии распределение намагниченности по объему частицы может быть практически однородным, однако, переходный процесс переключения протекает не когерентно — не все спины поворачиваются одновременно.
Компьютерный эксперимент демонстрирует, что характерное поле переключения заметно меньше того, которое следует из модели Стонера—Вольфарта. Получаемая при этом кривая гистерезиса помогает наглядно убедиться в этом путем сравнения соответствующих значений коэрцитивной силы.
Исследования с помощью компьютеров процессов перемагничивания малых частиц очень актуальны, так как устройства памяти, сенсоры, элементы, считывающие информацию, разрабатываются пока на базе магнитных объектов (например, тонких однослойных и многослойных прямоугольных полосок размером 1000 нм и менее и толщиной порядка 10 нм). Поэтому математическое моделирование имеет не только познавательный интерес — оно непосредственно используется при проектировании новых магнитных элементов памяти.
Например, получены результаты компьютерного моделирования кинетики перемагничивания трехслойного субмикронного элемента с антиферромагнитным взаимодействием между слоями, так называемого спинового переключателя (spin—valve). Это основной элемент магнитной оперативной памяти MRAM (Magnetic Random Access Memory) с очень хорошими параметрами — информационной плотностью, быстродействием, энергонезависимостью, — которую разрабатывают в настоящее время в ведущих компьютерных компаниях мира. Эволюция распределения спиновой плотности в процессе перемагничивания протекает некогерентно и в данном случае. Это очень важный результат: знать, как происходит этот процесс, крайне необходимо, чтобы оптимизировать прибор и прогнозировать характеристики памяти.
По супервременам — и суперпарамагнетизм. Если размер частицы достаточно мал, величина барьера между минимумами энергии может стать сравнимой с тепловой энергией. В этом случае вероятность того, что магнитный момент под влиянием тепловых флуктуаций спонтанно переориентируется, скажем, из метастабильной позиции (θ = 0) в равновесную (θ = ), т.е. преодолеет этот барьер, перестанет быть пренебрежимо малой. (Подобные термостимулированные флуктуации намагниченности называют иногда суперпарамагнитными флуктуациями.) На это впервые обратил внимание французский ученый Л.Неель в 1949 г., изучая свойства малых частиц магнетита Fe3O4 в земных породах. Процесс термостимулированного перехода из метастабильного минимума энергии в стабильный называют релаксацией. Неель рассмотрел поведение ансамбля частиц в достаточно сильном магнитном поле. Он показал, в частности, что после выключения поля остаточная намагниченность M(t) уменьшается со временем по экспоненциальному закону
M(t) = M(0)exp(–t/τ), (2)
где M(0) — начальное значение намагниченности, параметр τ — время релаксации.
Это напоминает процесс релаксации в парамагнетиках, изучаемый обычно с помощью техники электронного парамагнитного резонанса. Однако есть и существенные различия. Для парамагнетиков время релаксации τ приближенно равно 10-7—10-12 с, а для малых магнитных частиц значительно больше — на многие порядки величины! Обе системы различаются и по величине спина частиц s. В случае парамагнетика s приближенно равно 1 и элементарный магнитный момент атома μ = 2μB, где μB — магнетон Бора. В ансамбле ультрамалых частиц каждая имеет огромный полный спин Σ >> 1 и, следовательно, огромный магнитный момент μ = 2μBΣ >> μB: типичные значения μ  (103—104)μB. Неель назвал материалы, которые можно рассматривать с точки зрения магнетизма как ансамбли независимых малых магнитных частиц, суперпарамагнетиками, а их квазипарамагнитное поведение — суперпарамагнетизмом. Из формулы (2) следует важный вывод: магнитные характеристики суперпарамагнитных материалов могут лишь медленно изменяться со временем; помимо магнитной релаксации такое поведение называют также магнитным последействием или магнитной вязкостью. Основная величина, определяющая скорость магнитной релаксации Г (или –1 ) суперпарамагнетика, как установил тот же Неель, следует закону Аррениуса, уменьшается с понижением температуры
τ -1 = f0 exp(–U/kT), (3)
где k — постоянная Больцмана, U - величина энергетического барьера, T — температура. Величина энергетического барьера выражается через объем частицы V и плотность энергии магнитной анизотропии K: U = KV. Предэкспоненциальный множитель f0 для типичных магнитных частиц лежит в интервале 10-9—10-10 с–1. Время релаксации сильно зависит от объема частицы. Например, для сферической частицы Fe при специально подобранных параметрах оно может быть соответственно и 30 лет, и 7 суток.
Регистрация кривой перемагничивания суперпарамагнетиков часто дает существенно разные зависимости — все определяется временным масштабом измерительного процесса. У очень малых частиц время релаксации τ бывает достаточно малым, поэтому при измерении с небольшим временным разрешением магнитный момент частицы совершает несколько переходов между минимумами энергии. В этом случае при внешних полях, близких к нулю, измеренное среднее значение намагниченности окажется также равным нулю. Поведение системы таких малых частиц в магнитном поле будет казаться вполне аналогичным поведению ансамбля парамагнитных атомов, для которых гистерезис намагниченности отсутствует. При достаточно быстрых измерениях, когда переходы между минимумами энергии не успевают произойти, на кривой перемагничивания наблюдается гистерезис.
В последние годы было обнаружено нарушение закона Аррениуса при T около абсолютного нуля. Вместо того чтобы стремиться к нулю, скорость релаксации выходит на некоторую константу. Эту особенность в поведении магнитной релаксации при очень низких температурах связывают с явлением макроскопического квантового туннелирования. Последнее означает, что при достаточно низкой температуре, когда термические флуктуации малы и не могут “перебрасывать” магнитный момент через барьер между соседними потенциальными ямами, этот вектор может переориентироваться в результате квантовой флуктуации или, другими словами, протуннелировать из одного минимума энергии (метастабильного) в другой (равновесный).
Вмешивается квантовая механика. Новое интересное явление обнаружилось, когда изучали, как скорость магнитной релаксации ультрамалых частиц зависит от температуры. В соответствии с (3) при приближении температуры к абсолютному нулю эта величина должна также стремиться к нулю. Однако целый ряд недавних экспериментов показывает, что это не так: на самом деле скорость релаксации стремится к ненулевому пределу. Этот факт исследователи связывают с процессом макроскопического квантового туннелирования (МКТ) намагниченности, когда при достаточно низкой температуре магнитный момент может переориентироваться в результате уже не тепловой, а квантовой флуктуации.
Использование термина “туннелирование” для квантового перехода магнитного момента из метастабильного состояния в равновесное представляется несколько необычным. Действительно, термином “туннельный переход” принято называть переход (“просачивание”) реальной частицы в пространстве под потенциальным барьером. Классический пример такого перехода — туннельный выход -частицы из ядра (-распад). Это явление впервые теоретически описали в 1928 г. Г.А.Гамов и, независимо, Р.Гёрни и Э.Кондон.
Туннельный эффект легко интерпретировать на основе соотношения неопределенности Гейзенберга. Согласно классической механике, частица не может находиться внутри потенциального барьера, если ее полная энергия E меньше высоты барьера U. В противном случае ее кинетическая энергия
p2/2m = E – U,
(где p — импульс и m — масса частицы) стала бы отрицательной, а импульс p — мнимой величиной (квадратный корень из отрицательного числа). Однако в квантовой механике ситуация выглядит иначе: если зафиксировать положение частицы в пространстве, то вследствие принципа Гейзенберга импульс становится неопределенным. Поэтому вероятность обнаружения частицы в той области, которая запрещена с точки зрения классической механики, в частности под потенциальным барьером, уже не равна нулю. Отсюда следует, что не равна нулю и вероятность прохождения частицы через потенциальный барьер конечной ширины. Эта вероятность тем больше, чем уже и ниже барьер и чем меньше масса частицы.
Скорость квантового туннелирования Г, т.е. вероятность подбарьерного прохождения частицы в единицу времени, зависит от параметров барьера так, что соответствующая формула напоминает соотношение для скорости термостимулированного процесса
Γ = f0exp(–B). (4)
Константа Гамова B в простейшем случае барьера прямоугольной формы толщиной x и высотой U равна
B = 2ŋ–1(2mU)1/2x, (5)
где ŋ — постоянная Планка.
Возвращаясь к туннелированию намагниченности, мы видим, что в этом случае также имеется барьер, разделяющий метастабильное и стабильное состояния, но по оси абсцисс откладывается не реальная координата x, а угловая переменная θ. Если нужно определить не перемещение частицы в пространстве, а переориентацию магнитного момента или спина частицы через запрещенный интервал углов (чтобы иметь данное направление спина, частице не хватает энергии)? Как быть в этом случае? Удобно, как это часто делается в физике, использовать язык аналогий. Естественно сравнить между собой формулы для кинетических энергий поступательного движения T = mx2/2 и вращательного T = Jθ2/2. Очевидно, аналогами x и m являются θ и момент инерции J; место потенциальной энергии U(x) в этом случае занимает энергия E(θ) (1). Эта эвристическая аналогия позволяет легко адаптировать вышеприведенные формулы к случаю туннелирования спина (или магнитного момента).
Параметрами энергетического барьера для магнитного момента можно управлять при помощи внешнего магнитного поля. Элементарный анализ функции E(θ), определяемой формулой (1), показывает, что высота барьера равна
U = KV(1 – H/Hc)2 = KV2, (6)
где введен безразмерный параметр  = (1 – H/Hc). Ширина барьера (длина туннелирования) θ оценивается при H  Hc как θ  1/2. Момент инерции практически не зависит от внешнего магнитного поля. Подставляя U и θ в (5), получим B  3/2. Таким образом, манипулируя магнитным полем, можно эффективно уменьшить высоту и ширину энергетического барьера для магнитного момента и создать благоприятные условия для квантового туннелирования.
Точные вычисления дают следующую оценку для константы Гамова [4]
(7)
( - полный спин частицы).
Зная химический состав, нетрудно связать величину спина с полным числом атомов N в ней. Например, для частицы железа   5N/2.
Имеется переход (кроссовер) от режима термостимулированной релаксации к процессу квантовой релаксации. Характерную температуру T*, при которой происходит такой переход, можно определить, приравнивая отношение U/kT в показателе экспоненты (3) к константе Гамова B. В результате получим для температуры кроссовера
(8)
Формулы (7) и (8) определяют оптимальные условия для наблюдения процесса макроскопического квантового туннелирования намагниченности. В частности, для увеличения температуры кроссовера необходимо выбирать частицы достаточно малого размера (меньше или равен 5 нм) из материалов с малой намагниченностью M и высокой энергией магнитной анизотропии.
Редкоземельные магнитные материалы и некоторые ферриты обладают подходящими свойствами. Полагая M = 300 Гс, K = 108 эрг/см3, R = 4 нм, получим B = 1043/2. Вблизи поля переключения, когда   210-2, константа B  30, и температура перехода T*  2.5 K, при этом скорость квантовой релаксации Г  10–2 с–1, т.е. квантовое размагничивание такой частицы происходит примерно в течение минуты.
В рассматриваемом процессе происходит когерентное туннелирование большого числа спинов (N порядка 104). Поэтому этот эффект и называется макроскопическим квантовым туннелированием.
Открытие Макроскопического Квантового Туннелирования — одно из наиболее впечатляющих достижений физики конденсированного состояния за последнее десятилетие ХХ в. Этот эффект очень важен для понимания закономерностей перехода от классических представлений к квантовой физике — промежуточной области, где до сих пор остается много неясных вопросов. С другой стороны, напомним, что именно наномагниты, с их характерным квантовым поведением, считаются первыми кандидатами на роль материальной базы квантовой информатики — новой научной дисциплины 21-го столетия.
Явление макроскопического квантового туннелирования. При достаточно низкой температуре, когда термические флуктуации малы и не могут “перебрасывать” магнитный момент через барьер между соседними потенциальными ямами, этот вектор может переориентироваться в результате квантовой флуктуации или, другими словами, протуннелировать из одного минимума энергии (метастабильного) в другой (равновесный).
Хотя насыщение в температурной зависимости скорости магнитной релаксации при T близком к абсолютному нулю наблюдалось экспериментально во многих системах, у исследователей оставалось чувство неудовлетворенности, поскольку такой важный параметр как объем V туннелирующего нанокластера был плохо контролируемой величиной. А ведь зависимость скорости релаксации от объема V очень сильная (экспоненциальная), поэтому даже небольшой разброс в величине объема V приводит при низких температурах к большой неопределенности результатов. Естественным поэтому было стремление экспериментаторов найти объекты, в которых этот важный параметр - объем V - был бы строго фиксирован. И такие физические объекты были найдены. Ими оказались высокоспиновые металлорганические молекулы, которые построены с участием ионов переходных элементов (Fe, Mn и др.). Подобные молекулы также часто называют магнитными кластерами.
Идея, что туннелировать через потенциальный барьер может не только материальная частица, а некая характеристика квантовой системы (в данном случае магнитный момент), получила дальнейшее развитие. Появились работы, в которых исследуется туннелирование необычных и весьма сложных “объектов”, в качестве которых выступают особенности в распределении поля спиновой плотности в кристалле, пленке, нанопроволоке. Такими особенностями могут быть доменные стенки, солитоны, магнитные вихри. Типичный размер подобных образований 1—100 нм. Их уместно назвать магнитными квазичастицами, так как их динамические свойства напоминают свойства материальных частиц — как и последние, они могут обладать массой, импульсом, энергией, скоростью и т.д.
Естественно, они могут туннелировать и между состояниями с одинаковой энергией, которые различаются распределениями спиновой плотности. Возможно даже туннельное рождение магнитных квазичастиц из “вакуума”, в качестве которого в данном случае выступает пространственно однородное распределение спинов. Важно только, чтобы были удовлетворены все необходимые законы сохранения: энергии, импульса, углового момента. Это очень богатая область, и главные открытия здесь еще впереди.
К магнитной памяти на наноструктурах. Итак, замечательное свойство некоторых магнитных кластеров (Mn12, Fe8 и др.) - молекулярная бистабильность. Это означает, что магнитная молекула может находиться в двух состояниях, различающихся, скажем, ориентацией магнитного момента относительно некоторого направления. Переходы между этими состояниями могут быть индуцированы, например, магнитным полем. Другими словами, такая молекула представляет собой естественный запоминающий элемент. Для характерного расстояния между молекулами ~10 нм плотность записи информации в такой молекулярной памяти превышала бы 100 гигабит/см2. Это, конечно, впечатляет, но даже если решить проблему записи и считывания, останется еще одна трудность - конечное время хранения информации. При температуре 1.5 K время магнитной релаксации в системе с Mn12, достигая большой величM H/Hc). Ширина барьера (длина туннелирования) 2 сины ~ 08с, все же оказывается недостаточным для современных компьютеров; нужны более крупные молекулы.
Весьма интересна еще одна группа магнитных молекул с несколько отличным механизмом бистабильности. В некоторой области внешних параметров эти молекулы также могут находиться в двух различных электронных состояниях. Одно из них (А) характеризуется нулевым или малым значением спина, другое (B) - высоким. Обычно одно из этих состояний - основное, другое - метастабильное. Спиновые переходы AхB возникают при совпадении энергий их уровней и могут быть индуцированы действием света или магнитного поля. Такая бистабильность реализуется, например, в магнитных полимерах, содержащих двухвалентные ионы железа.
Плотность записи информации и быстродействие компьютеров пока возрастают со временем по экспоненциальному закону. Очевидно, обе величины напрямую связаны между собой, и увеличение первой влечет за собой увеличение второй. Быстрое усовершенствование магнитных носителей достигнуто во многом благодаря использованию мелкозернистых магнитных сред с малым взаимодействием между зернами. Это обеспечивает низкий уровень шумов и в конечном счете высокие значения плотности записи и быстродействия (1—2)•107 бит/см2 и (2•106—109) бит/с (скорость считывания). К 2005 г. планируется выйти на 109 бит/см2 и 2•109 бит/с при толщине магнитного носителя около 30 нм. А вообще считается, что на этом пути можно достичь плотности записи до 1010 бит/см2, что ограничивается минимальным размером запоминающего элемента (“размером бита информации”)  100 нм.
Стратегия повышения плотности информации основана на концепции “отдельная частица — один бит информации”. Это означает, что запись бита должна производиться в отдельную частицу магнитного носителя. При этом магнитная память ближайшего будущего рассматривается как система слабо связанных между собой частиц. Такой магнитный носитель информации называют квантовым диском. Но в ближайшем будущем (при размере зерна порядка 10 нм) вступят в действие ограничения, связанные с тепловыми флуктуациями. Число атомов в элементе будет настолько малым, что элемент станет нестабильным относительно тепловых флуктуаций при комнатной температуре и память придется охлаждать, чтобы понизить скорость спонтанного термостимулированного переключения элементов. На следующем этапе придется учитывать ограничивающее влияние квантовых флуктуаций, т.е. спонтанных переключений путем макроскопического квантового туннелирования.
Компьютеры и информация в квантовом мире. Квантовые свойства магнитных молекул, да и в целом - магнитная мезоскопика, представляют интерес в проблеме квантовых компьютеров, а также в задачах квантовой телекоммуникации и криптографии (“квантовой информатики”).
Информация в квантовом компьютере кодируется в квантовых битах или q-битах. Как и бит, q-бит реализуется в системе с двумя состояниями (условно 0 и 1), но, в отличие от первого, второй допускает суперпозицию этих состояний и, значит, более “информативен”. Физической реализацией q-бита может служить любая двухуровневая система (спин, фотон, атом, молекула, ион), волновая функция которой определяет все его значения. Сообщение представляет собой последовательность N q-битов, т.е. отвечает волновой функции N переменных. Каждому элементу алгебры логики может быть поставлен в соответствие свой гамильтониан в пространстве состояний бистабильной системы.
Вычисления отвечают законам эволюции состояний квантовой механики и, следовательно, описываются решениями уравнения Шредингера. Последнее обратимо во времени, поэтому вычисления и не сопровождаются потерей информации.
Простейший логический элемент - оператор преобразования между чистыми состояниями 01. Для спиновой системы этому оператору отвечает одна из матриц Паули x. Если в качестве значений q-бита выступает проекция спина или поляризация фотона, то такая операция представляет собой поворот соответствующего вектора на угол p/2. В классической информатике этому элементу соответствует операция “не”. Уже найдены и экспериментально опробованы реализации и других логических элементов, так что на сегодня в квантовой информатике в принципе известно, как осуществить вычисления для произвольной логической функции.
Квантовый компьютер в целом представляет собой систему, состоящую из определенного набора ячеек, состояния которых кодируются q-битами, и логических элементов; состояние компьютера в любой момент времени определяется полной волновой функцией, зависящей от координат всех ячеек и их состояний. Эволюция во времени (процесс вычислений) определяется Гамильтонианом квантового компьютера.
Информация (классическая) на “входе” компьютера задает состояния всех ячеек в начальный момент времени, информация на “выходе” определяется их состояниями по окончании процесса вычислений. Главное достоинство квантового компьютера основано на использовании принципа суперпозиции, позволяющего обрабатывать информацию параллельно, что колоссально ускоряет вычисления. Например, квантовый компьютер, оперирующий с 200 q-битами, может достичь такого же эффекта при разложении 400-разрядного числа на простые множители (это важная задача криптографии), как 2200 одновременных вычислений с классическими битами. Невозможно представить себе обычный компьютер с таким количеством процессоров. Специалисты говорят по этому поводу, что квантовый компьютер может производить подобные вычисления экспоненциально быстрее, чем лучшие из известных в настоящее время классических алгоритмов.
Если квантовый компьютер столь эффективен, что мешает его созданию? Фундаментальная проблема здесь - потеря когерентности сложной и весьма запутанной волновой функции компьютера за счет взаимодействия с окружением. Причем, как отмечено выше, это взаимодействие разрушает в первую очередь именно квантовые корреляции, которые и составляют основу параллельной работы квантового компьютера. В настоящее время разрабатываются специальные схемы защиты квантовой информации от влияния окружения, главным образом за счет введения избыточности и на этом пути достигнуты успехи.
Другая серьезная проблема - обеспечение ввода и вывода информации и управление логическими элементами на атомном уровне. Магнитные молекулы здесь представляются особенно перспективными, поскольку они обладают большим спином в сочетании с бистабильностью, и, следовательно, достаточно сильным взаимодействием между собой и с внешними приборами. Роль бистабильной двухуровневой системы в этом случае может играть мезоскопический спин магнитной наночастицы. Благодаря сильной (экспоненциальной) зависимости частоты туннелирования от высоты потенциального барьера могут быть созданы элементы логики, управляемые изменением его высоты.
Квантовые методы обработки и передачи информации (криптография и телекоммуникация) уже выходят из лабораторий в мир практики. На этом пути решаются и технологические задачи конструирования наноструктур и создания суперпарамагнетиков.
Суперпарамагнетики. К суперпарамагнетикам относятся ультрадисперсные магнитные материалы, среди которых есть и полимеры, и пластмассы, и жидкости, и жидкие кристаллы, а также нанокомпозитные металлические и органические с магнитными компонентами пленки. Изучение суперпарамагнетизма ультрадисперсных сред проводится представляет один из перспективных разделов современного материаловедения и инженерии, объединяемых понятием “высокие технологии”. Физика таких нанокомпозитных материалов и структурированных ансамблей, конечно, существенно зависит от индивидуальных свойств составляющих их наночастиц, но часто возникают общие черты в поведении материалов, обусловленные взаимодействием между частицами.

Библиография


Звездин А.К. Магнитные молекулы и квантовая механика//Природа. 2000. №12
Звездин К.А. Особенности процесса перемагничивания трехслойных магнитных наноструктур//ФТТ. 2000. Т. 42. № 1
Звездин А.К., Звездин К.А. Суперпарамагнетизм сегодня: магниты–карлики на пути в мир квантов//Природа. 2001. № 9
Кондорский Е.И. К теории однодоменных частиц//ДАН СССР. 1952. Т. 82. № 3
Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. М., 1965
Garcia N., Munoz M. and Zhao Y.-W. Magnetoresistance in excess of 200% in Ballistic Ni Nanocontacts at Room Temperature and 100 Oe//Phys. Rev. Lett. 1999. V. 82. № 14
Gunter L. Quantum tunneling of magnetization/Magnetic properties of fine particles/Ed. by J.L.Dormann and D.Fiorani. Amsterdam, 1991
Rottmann F. and F. Dettmann F. New magnetoresistance sensors: Engineering and applications//Sensors and Actuators. 1991. V. 25. № 763
Zvezdin A.K. Field-induced phase transitions in ferrimagnets//Handbook of Magnetic Materials. 1995. V. 9
Zvezdin A.K., V.A.Kotov V.A. Modern magnetooptics and magnetooptical materials/IOPPublising. UK, 1997
Zvezdin A.K. and K.A.Zvezdin K.A. Spontaneous Transformations of the Magnetic Structre of a Film Nanocontact//JETP Lett. 2002. V. 75. № 10
Youfeng Zheng, Jian-Gang Zhu, GMR Multilayer Random Access Memory Cells//Digests of Intermag. 1997. CB-04

  • ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ РАЗДЕЛА:
  • РЕДАКЦИЯ РЕКОМЕНДУЕТ:
  • ОСТАВИТЬ КОММЕНТАРИЙ:
    Имя
    Сообщение
    Введите текст с картинки:

Интеллект-видео. 2010.
RSS
X