جائزة نوبل في الفيزياء للمقاومة المغناطيسية العملاقة

اكتشف الاكتشاف متطلبات قراءة القرص الثابت بسرعة

GMR في رأس القراءة للقرص الصلب © A. MAgill / CC-by-sa 2.0 لنا
قراءة بصوت عال

تذهب جائزة نوبل للفيزياء لعام 2007 إلى الفرنسي ألبرت فيرت والألماني بيتر غرونبرغ. يحصلون عليها لاكتشافهم ما يسمى المقاومة المغناطيسية العملاقة. أحدثت تطبيقات هذه الظاهرة ثورة في التكنولوجيا المستخدمة لقراءة المعلومات من محركات الأقراص الصلبة بالكمبيوتر. ومع ذلك ، فإن التأثير يلعب أيضًا دورًا مهمًا في مختلف أجهزة الاستشعار المغناطيسية ، وكذلك لتطوير جيل جديد تمامًا من الإلكترونيات ، يُطلق عليه "spintronics".

حقيقة أن أجهزة الكمبيوتر والمكونات الإلكترونية أصبحت أصغر وأكثر قوة تبدو طبيعية اليوم. ولكن في نهاية التسعينيات ، أصبحت تقنية جديدة تمامًا لرؤوس قراءة الأقراص الصلبة هي المعيار ، مما يتيح هذا التطور السريع نحو زيادة سعة التخزين في الأقراص الصلبة. تعتمد تقنية القراءة الجديدة على التأثير المادي الذي رآه الحائزان على جائزة نوبل في الفيزياء لأول مرة منذ ما يقرب من عشرين عامًا. اكتشف الفرنسي ألبرت فيرت والألماني بيتر غرونبرغ في عام 1988 ، لكل منهما وبصورة مستقلة عن بعضهما البعض ، ما يسمى المقاومة المغناطيسية العملاقة - في المقاومة المغناطيسية العملاقة الإنجليزية ، GMR.

تأثير مغناطيسي في رأس القراءة

يتم تخزين المعلومات المخزنة على القرص الصلب في شكل حقول صغيرة مجهرية مع اتجاهات مغنطة مختلفة. يتم استرداد المعلومات عن طريق قراءة رأس مسح القرص الثابت وتسجيل التغييرات المغناطيسية. كلما كان القرص الصلب أصغر حجماً وأكثر كثافة معبأاً بالمعلومات ، أصبحت الحقول المغناطيسية الفردية أصغر وأضعف. وكلما زادت الحساسية ، يجب أن يكون رأس القراءة المطلوب.

من اللورد كلفن ...

نشر الفيزيائي البريطاني اللورد كلفن مقالة في عام 1857 ، أثبت فيها أن المقاومة الكهربائية تتناقص عندما يوضع مجال مغناطيسي على طول موصل حديدي ، لكنه يزداد عندما يكون المجال المغنطيسي مستعرضاً للموصل. تم بالفعل وضع هذه المقاومة المغناطيسية المعتمدة على الاتجاه (MR) جانباً قبل اكتشاف المقاوم المغنطيسي العملاق لقراءة البيانات على الأقراص الصلبة. ولكن تدريجيا انتهت إمكانيات التنمية مع هذه التقنية. الحساسية لم تتحسن بما فيه الكفاية.

يتم إنشاء المقاومة الكهربائية في الموصل من حقيقة أن الإلكترونات تشير إلى شوائب

تكون مبعثرة في المواد وبالتالي تعوق تقدمها. الإلكترونات لديها أيضا ما يسمى تدور. هذه الخاصية الميكانيكية الكم يمكن أن تشير في اتجاهين متعاكسين. في موصل مغناطيسي ، يكون لمعظم الإلكترونات دوران موازٍ للحقل المغناطيسي. أقلية من الإلكترونات لديها تدور عكس ذلك. وكقاعدة عامة ، تنتشر الإلكترونات الأقوى ، التي تدور عكس المجال المغناطيسي. يعتمد الجهاز الدوراني الأكثر انتشارًا على نوع المواد.

تأثير GMR في نظام ثلاثي الطبقات مؤسسة نوبل

"للمقاومة المغناطيسية العملاقة"

مثال على أبسط نظام للمقاومة المغناطيسية العملاقة يتكون من طبقة

المعادن غير المغناطيسية بين طبقتين من المعدن المغناطيسي. في داخل المادة المغناطيسية وخاصة في الطبقة الحدودية بين المواد المغناطيسية وغير المغناطيسية ، تنتشر الإلكترونات ذات الدوران المختلفة بدرجات مختلفة.

إذا كان اتجاه المجال المغنطيسي في كلتا الطبقتين المغناطيسيتين هو نفسه ، فيمكن للإلكترونات المتوازنة الدوران أن تزج من خلال النظام بأكمله دون أن تنتشر كثيرًا. من ناحية أخرى ، الإلكترونات ذات الدوران المضاد المتوازي مبعثرة بشدة. ومع ذلك ، لأنها أقل شيوعًا ، تظل المقاومة الكلية منخفضة. يمكن للإلكترونات أن تمر ، وتدفقات التيار.

ومع ذلك ، إذا كانت اتجاهات المجال في الطبقتين المغناطيسيتين تواجه بعضها البعض ، فسوف يكون لجميع الإلكترونات تدور معاكس في أي طبقة أو طبقة أخرى. مع أنهم جميعا متناثرة بقوة. وهذا يؤدي إلى حقيقة أن المقاومة الكلية عالية ، ويتم إعاقة الإلكترونات ، ولا يوجد تدفق بسيط أو معدوم.

to و GMR قراءة الرأس

باستخدام رأس قراءة للقرص الصلب ، يتم تثبيت المغناطيس في إحدى الطبقتين المغناطيسيتين ، بينما يتأثر الاتجاه في الطبقة الأخرى بالحقول المغناطيسية التي يؤديها رأس القراءة. نتيجة لذلك ، تستمر المقاومة وبالتالي التيار في رأس القراءة في التغيير. هذا التيار بدوره هو إشارة الخرج من قراءة رأس current الحالية يمكن أن تمثل واحد ، وانخفاض الحالي صفر.

وبالتالي يمكن لرئيس القراءة ذي تأثير GMR أن يحول التغييرات المغناطيسية الصغيرة جدًا إلى اختلافات قابلة للقياس بدرجة كافية في المقاومة الكهربائية ، وبالتالي في التقلبات في التيار المنبعث من رأس القراءة. بعد اكتشاف GMR ، سرعان ما بدأ العلماء والمهندسون في استخدام التأثير الجديد لرئيس قراءة. في وقت مبكر من عام 1997 ، تم تقديم أول رئيس قراءة يعتمد على تأثير GMR. بفضل هذه التقنية ، تم تخفيض الأقراص الصلبة إلى حد كبير في السنوات الأخيرة ، وفي الوقت نفسه عرضت بسعة تخزين أكبر بكثير.

بوابة إلى spintronics

ومع ذلك ، لم يكن GMR إنجازًا تقنيًا فقط عندما يتعلق الأمر بقراءة كميات كثيفة من بيانات القرص الثابت. يجب أن يكون من المثير للاهتمام أيضًا أن نرى هذه التقنية كخطوة أولى في تطوير شكل إلكتروني جديد تمامًا ، يسمى أيضًا spintronics. تتميز Spintronics بحقيقة أنها تستغل دوران الإلكترون ، وليس كما هو الحال في الإلكترونيات التقليدية ، فقط

شحنة كهربائية. إن الشرط المسبق لـ spintronics هو بالتحديد الأبعاد الصغيرة التي تعمل بها تقنية النانو.

(مؤسسة نوبل ، 09.10.2007 - NPO)