Микроэлектроника в ожидании чудес. Открытие явления гигантского магнетосопротивления, благодаря которому ёмкость жёсткого диска увеличилась сразу на два порядка, вдохновило учёных на новые подвиги, в частности на поиск достойной замены оперативной памяти. Если эта задача решится, привычная техника кардинально изменится, например, компьютер при включении без всяких ожиданий и загрузок начнёт работу на «прерванном месте». О том, каким видит будущее микроэлектроники мировая наука и какой вклад в этот прогресс вносят российские учёные, – в интервью с проректором Московского государственного технического университета радиотехники, электроники и автоматики (МГТУ МИРЭА) Александром Морозовым.

Рис. 1. Александр Морозов: «Найти поле,
на котором вы получите интересные и
важные результаты первыми, – очень
большое везение. Я уже 36 лет в физической
науке, и за всё время таких изюминок
у меня было штук пять-шесть.
Фрустрация – одна из них».

— Александр Игоревич, электронная промышленность очень быстро впитывает научные теории и разработки, так что учёные, наверное, лучше всех аналитиков знают, что ждёт эту отрасль завтра. Какие перемены наиболее вероятны и ожидаемы?

— Действительно, эта отрасль очень бурно развивается. Если на рубеже 90-х годов прошлого века объём жёстких дисков наших персональных компьютеров был порядка сотни мегабайт, то к середине 90-х годов он увеличился раз в десять, после чего очень быстро вырос до сотни гигабайт. Сегодня ёмкость жёсткого диска приближается к терабайту.

Этот качественный скачок произошёл благодаря открытию явления гигантского магнетосопротивления, сделанного в 1988 году научными группами под руководством француза Альберта Ферта и немца Питера Грюнберга, которым в 2007 году за это открытие была присуждена Нобелевская премия.

Промышленность мгновенно восприняла это открытие, по-моему, даже быстрее, чем физики его окончательно осмыслили. Фирмы, выпускающие жёсткие диски, сделали новые считывающие головки, более чувствительные к магнитному полю, и более мелкие дорожки на диске. Результат – на той же площади жёсткого диска стало записываться существенно больше информации, ёмкость диска увеличилась сразу на два порядка. Это, естественно, вызвало бум в области магнетоэлектроники. Начались активные исследования, в ходе которых были найдены и другие эффекты в русле этого открытия. В первую очередь – возможность создания магнитной энергонезависимой памяти, которая, наверное, скоро придёт на смену нынешней оперативной памяти. Сегодня при выключении компьютера стирается всё, что было в оперативке, и при включении нужно снова обращаться к относительно медленному жёсткому диску, то есть тратить время.

С новой памятью этих неудобств не будет: компьютер после включения без всяких загрузок и ожиданий сразу начнёт работу на том месте, на котором остановился.

В будущем такая память заменит и жёсткий диск, и флеш-память. Закономерен вопрос: почему до сих пор этого не произошло? Дело в том, что эта память (по-английски она сокращённо называется MRAM, по-русски – магнетнорезистивная память) довольно трудно вписывается в обычную технологическую цепочку, основанную на применении кремниевых полупроводников. К тому же она очень дорогая, раз в сто дороже оперативной. Естественно, на её внедрение в промышленных масштабах пока никто не пойдёт. Хотя первопроходцы уже есть, в частности Motorola её использовала в своих телефонах, сделав чип памяти на основе MRAM.

Но чтобы технология стала массовой, её надо доводить до ума, снижать стоимость, адаптировать к существующим технологиям.

— Какой вклад в этот прогресс вносят учёные-теоретики из МИРЭА, не привязанные ни к экспериментаторам, ни к промышленности?

— Да, мы занимаемся исключительно теоретическими исследованиями. Поскольку упомянутые технологии в России не получили распространения – ни жёсткие диски, ни MRAM у нас не производятся, насколько я знаю, мы действительно ни к кому не привязаны. Изучаем магнитные наноструктуры, в которых был обнаружен эффект гигантского магнетосопротивления. Простейшая такая структура состоит из двух ферромагнитных металлических слоёв, разделённых слоем немагнитного, или антиферромагнитного металла, и носит название «спиновый вентиль». Оказалось, что шероховатость границ раздела слоёв, имеющих толщину порядка одного нанометра, кардинальным образом влияет на их магнитные свойства. Это только теоретики любят считать, что границы идеально гладкие. В жизни это не так. До начала наших исследований было известно, что наличие на границе раздела ферромагнитного и антиферромагнитного слоёв атомных ступеней, изменяющих толщину слоя на одну атомную плоскость, ведёт к возникновению фрустраций обменного взаимодействия между слоями.

При этом однородное распределение магнитных параметров порядка уже не отвечает минимуму энергии. Наша научная группа поставила перед собой цель – предсказать, какое распределение магнитных параметров порядка в пространстве возникнет в зависимости от толщины слоёв и расстояния между краями атомных ступеней на границе раздела, и успешно реализовала её для случая двухслойных наноструктур ферромагнетик – антиферромагнетик и спин-вентильных структур с антиферромагнитной прослойкой. Мы первыми решили эту интересную фундаментальную задачу. Зачем это нужно с практической точки зрения? Знание фазовой диаграммы позволяет правильным выбором технологических параметров получить ту шероховатость границ раздела слоёв, которая обеспечит достижение оптимальных характеристик данного магнетоэлектронного устройства. Конечно, для этого требуется большая работа технологов, но, не имея перед собой наших теоретических расчётов, технолог может проводить этот поиск только методом случайных проб и ошибок, то есть методом «тыка».

— Как восприняло мировое научное сообщество ваши теории?

— Учёные, работающие в этой области, признают наш приоритет. В частности, мы предсказали новый тип доменных стенок – доменные стенки, порождённые фрустрациями. Их толщина оказалась существенно меньшей, чем толщина традиционных доменных стенок, причём она изменялась по мере удаления от границы раздела слоёв. Наша работа была опубликована в 1998 году в отечественном «Журнале экспериментальной и теоретической физики» («ЖЭТФ»). Долго уговаривали экспериментаторов проверить нашу теорию, но для этого требовалось нанометровое разрешение при исследовании магнитных свойств, а таких возможностей у наших коллег, как правило, не было. Наконец, в 2004 году в американском журнале Physical Review Letters появилась публикация немецких учёных из Института физики микроструктур Макса Планка в Халле (Max-Planck-Institut fur Mikrostrukturphysik, Halle), в которой наши предсказания были подтверждены экспериментально. Правда, немецкие учёные, по всей видимости, не читали нашу статью, хотя «ЖЭТФ» переводится на английский язык, поэтому начали ссылаться на нас не сразу, а только после того, как мы им указали на нашу публикацию.

Группа итальянских учёных из Политехнического института Милана экспериментально обнаружила разбиение ферромагнитных слоёв в наноструктурах «ферромагнетик – антиферромагнитный оксид – ферромагнетик» на нанодомены, а также переход из нанодоменного к однородному состоянию с изменением толщины слоя. Они нашли только одну теорию, которая объясняла наблюдаемые явления, – нашу, и достаточно активно на нас ссылаются.

Можем ещё похвастаться, что нас приглашали писать главы для двух изданных в США и Германии монографий, посвящённых гигантскому магнетосопротивлению и свойствам антиферромагнитных оксидов. Причём мы не занимались маркетингом, издатели сами к нам обратились и попросили рассказать о нашей деятельности, о магнитной фазовой диаграмме, фрустрациях и так далее. Но вообще-то всё, что хотели, по этой теме мы уже сделали, все результаты опубликовали, так что пора браться за что-то новое.

— Уже известно, над чем будете работать?

— В выборе направления исследования будем отталкиваться от собственных знаний, умений и интереса к теме. Конечно, найти поле, на котором вы получите интересные и важные результаты первыми, – очень большое везение. Как говорил Остап Бендер, плодотворная дебютная идея – это большая редкость. Я уже 36 лет в физической науке, и за всё время таких изюминок у меня было штук пять-шесть. Фрустрация – одна из них. Но большие самородки здесь уже точно выбраны. Можно, конечно, и дальше мыть песок в надежде, что там есть золото, но всё-таки это уже не столь интересно. Принципиально новых результатов вы уже не получите. Как человек, воспитанный в жёстких требованиях, считаю, что, если экспериментаторам понадобятся какие-то тонкости, им, конечно, надо помочь разобраться, а в том, чтобы просто увеличивать число параметров, рисовать многомерные фазовые диаграммы, смысла уже не вижу.

Справка NNN: Подробно о своих исследованиях Александр Морозов расскажет на пятой международной конференции «Нанотехнологии в электронике, фотонике и альтернативной энергетике» (Нано и Гига Форум), которая пройдёт 12–16 сентября в Москве и Зеленограде (по материалам strf.ru).