То, что происходит в считывающей головке компьютерного диска, до сих пор было понято лишь частично. Теперь международная исследовательская группа впервые отследила точные магнитные процессы с помощью мюонов, магнитных элементарных частиц. Как сообщают в журнале Nature Materials, порядок электронных спинов в носителе данных играет решающую роль в эффективности считывающих головок.
Тот факт, что компьютеры могут хранить так много данных и что MP3-плееры стали такими маленькими за последнее десятилетие, в значительной степени объясняется эффектом, который физики называют гигантским магнитосопротивлением. Благодаря этому эффекту, за открытие которого в 2007 году была присуждена Нобелевская премия по физике, можно производить электронные компоненты, электрическое сопротивление которых очень чувствительно к внешним магнитным полям. Если вы используете этот эффект в магнитных считывающих головках, вы можете очень плотно упаковать магнитно-кодированные данные и, таким образом, сделать жесткие диски очень маленькими. Без этого эффекта на устройстве размером с половину пачки сигарет было бы невозможно хранить столько данных, сколько на более чем 100 компакт-дисках.
Спинтроника - электроника со спином
«В отличие от большинства электронных компонентов, считывающие головки используют не только электрический заряд электронов, переносящих ток, но и их вращение - самовращение, которое превращает электроны в крошечные магниты, может быть. Считывающие головки являются частью растущей области спинтроники», - объясняет инициатор исследовательского проекта Алан Дрю из Фрайбургского университета и Лондонского университета королевы Марии. Технический термин для этого компонента - spin valve, что можно перевести как «вращающий клапан».
Такой клапан состоит как минимум из трех слоев: двух магнитных внешних слоев и немагнитного промежуточного слоя. Один из магнитных слоев намагничивается в фиксированном направлении, намагниченность другого адаптируется к внешнему магнитному полю. Когда ток течет между обоими слоями магнитов, он испытывает меньшее сопротивление, когда оба слоя одинаково намагничены, потому что первый слой вынуждает спины электронов принять ориентацию, которую они могут сохранить во втором слое.
Если слои намагничены по-разному, электроны прибывают во второй слой с «неправильным» расположением спинов. Если они сохранят выравнивание вращения, они вряд ли добьются какого-либо прогресса; если спин меняется на противоположный, это требует энергии - и то, и другое появляется как дополнительное электрическое сопротивление.
Нестабильные частицы обнаруживают магнитные поля
Но это работает только до тех пор, пока не слишком много спинов переворачивается по пути, т.е. они не приходят на второй слой со случайной ориентацией. Дрю хотел узнать, насколько важен этот эффект для качества считывающих головок, и провел серию экспериментов с коллегами из Института Пауля Шеррера в Виллигене, Швейцария. Они хотели наблюдать, сколько спинов электронов случайным образом переворачиваются на пути через средний слой. При этом они использовали тот факт, что спины вместе создают магнитное поле, которое тем сильнее, чем более однородно они упорядочены. В качестве зондов для измерения магнитного поля внутри они использовали мюоны - нестабильные элементарные частицы, похожие на электроны, но гораздо более тяжелые.
Если такой мюон поместить в магнитное поле, он начинает вращаться, и чем сильнее поле, тем быстрее он вращается. Через несколько миллионных долей секунды мюон распадается на несколько частиц, одна из которых предпочтительно летит в направлении спина мюона и может быть обнаружена детектором. Если пронаблюдать это направление распада для миллионов таких распадов, можно определить скорость вращения мюонов и, исходя из этого, локальное магнитное поле.
Для своих экспериментов исследователи построили специальную считывающую головку с органическим промежуточным слоем, состоящим из проводящего пластика. «Такие пластики гибки и просты в обработке, так что они могут произвести революцию в электронике в будущем, - объясняет Дрю, - поэтому у нас было достаточно времени, чтобы понаблюдать за магнитным полем».
Достаточно медленно только в Швейцарии
То, что в принципе звучит просто, требует огромных технических усилий. «Такие эксперименты можно проводить только в PSI, потому что только мы можем генерировать очень медленные мюоны, которые застревают в тонких слоях нашей считывающей головки. Мюоны в других экспериментах настолько быстры, что просто пролетели бы сквозь наш образец», - объясняет физик Эльвезио Моренцони, работающий на мюонной установке в Институте Пауля Шеррера.
Но и в PSI мюоны изначально очень быстрые. Они создаются на ускорителе протонов Института Пауля Шеррера, где пучок протонов сначала разгоняется до трех четвертей скорости света, а затем сталкивается с «углеродной пластиной». Это создает частицы, которые в конечном итоге распадаются на мюоны. В уникальном процессе мюоны сначала замедляются в тонком слое замороженного инертного газа, чтобы затем снова разогнать их до желаемой низкой скорости. Варьируя эту скорость, можно даже определить глубину, на которой мюоны должны застрять в образце, и таким образом определить магнитные поля в разных местах.
Результат: Беспорядок причиняет боль
Эти эксперименты показали, что степень, в которой электроны теряют свою спиновую ориентацию, также определяет, насколько хорошо работает считывающая головка, т.е. насколько сильно электрическое сопротивление зависит от магнитного поля. Однако прежде всего стало ясно, что эксперименты с мюонами действительно могут помочь понять процессы в компонентах спинтроники. «Промышленность, вероятно, никогда не сделает этот метод одним из своих стандартных методов проверки компонентов. Процесс для этого слишком сложен, - подчеркивает Моренцони. - Тем не менее, он, безусловно, поможет понять фундаментальные вопросы и, таким образом, даст отраслевые советы по дальнейшей разработке компонентов».