Невозможное возможно: ученым удалось придать графену свойства магнита. Ждать ли переворота в электронике?

Недавний лауреат Нобелевской премии Андре Гейм вновь напомнил о себе. Знаменитый физик вместе с коллегами из университета Манчестера опубликовал исследование о магнитной природе графена. Работа, которой официально руководила старший преподаватель Института физики и астрономии университета Манчестера доктор Ирина Григорьева, интересна не только парадоксальным результатом — превращением немагнитного по своей природе материала в магнит. Это еще и большой шаг на пути к перевороту в современных технологиях. Намагниченный графен может оказаться тем самым недостающим звеном, которое выведет электронику на новый уровень — уровень спинтроники, на котором будущие девайсы, хранилища информации и компьютеры смогут работать совершенно по иному принципу.

Перспективный материал

Стоит напомнить, что полученный в 2004 году Андре Геймом и его коллегой Константином Новоселовым графен практически сразу признали суперматериалом. Состоящий из атомов углерода, он оказался не менее ценным, чем родственный ему алмаз. И все благодаря двухмерной структуре графена, толщина которого составляет всего один атом. Графен считается очень гибким и самым прочным из наноматериалов — его прочность на разрыв в 200 раз выше стали. Но самое главное — носители заряда в графене практически не имеют массы, что приближает их по данному показателю к частицам света фотонам. Это уникальное свойство подразумевает высокую подвижность электронов и может соответственно обеспечивать высокую скорость передачи информации. Немудрено, что детищу Гейма — Новоселова сразу же отвели роль чуть ли не революционера в области передовой электроники. Но почему же при всех преимуществах графена физикам так важно было его намагнитить?

Дело в следующем. Использование графена представляется наиболее перспективным в спинтронике, которую называют электроникой XXI века. Разница между двумя направлениями существенна: если в электронике информация переносится, шифруется и хранится с помощью заряженных частиц, то в спинтронике ключевую роль играет именно магнитный момент, или спин. «Спин — это не составляющая электрона, а его внутренняя характеристика, — комментирует директор научно-образовательного центра «Функциональные наноматериалы» Инновационного парка Балтийского федерального университета им. И. Канта кандидат физико-математических наук Александр Гойхман. — У спина есть два дискретных варианта, условно можно сказать, что один из них направлен вверх, а другой вниз, и дают они соответственно единицу или ноль, представляющие собой биты информации. Практически мы получаем прекрасный вариант для шифрования данных в двоичном коде — самой распространенной системе сохранения данных. Чем больше битов, тем больше комбинаций для сохранения команд и данных можно найти».

В электронике за единицы и нули отвечают сигналы: сигнал есть — это единица, сигнала нет — ноль. В спинтронике важно именно то, в какую сторону направлена поляризация спина. С помощью магнитного поля ее можно менять, чтобы по заказу получать единицу или ноль. А вот отсеивать единицы и нули, чтобы использовать их в программировании, физики научились с помощью так называемого магнитного туннельного перехода. «Допустим, мы пытаемся пропустить ток между двумя электродами, — поясняет Александр Гойхман. — Если в электронике это будет просто поток электронов от одной точки до другой, то в спинтронике между ними обязательно должен находиться диэлектрик, или слабопроводящее вещество». В обычных условиях диэлектрик не пропускал бы ток, но с учетом законов квантовой электроники, на которых зиждется спинтроника, и появляется так называемый туннельный эффект. То есть при одних условиях барьер из диэлектрика не пропускает электроны, при других — пропускает электроны только с определенным направлением спина. Так, собственно, и появляется возможность получить элемент памяти, записанный магнитным полем.

Минус на минус

Сама автор открытия, Ирина Григорьева, скромно отмечает: «Я бы не стала называть это открытием, это лишь важный этап развития в области магнетизма углерода». По ее словам, успеха команде удалось добиться лишь благодаря тому, что в случае с графеном сработал принцип — минус на минус дает плюс. Сначала исследователи выбили с помощью высокоэнергетических протонов из кристаллической решетки графена атомы углерода. Полученные вакантные места начали замещать таким же немагнитным фтором, однако два элемента в сочетании придали графену магнитные свойства, которые, правда, оказались весьма скромными. Дальнейшее добавление атомов фтора увеличивало эффект, но такой графен, по словам Андре Гейма, оказался не сильнее магнита, что крепится на холодильник. А при определенной концентрации атомов фтора они начинали компенсировать магнитные моменты друг друга, и магнетизм пропадал вовсе. К тому же их концентрация в решетке была столь велика, что полученный материал назвать графеном можно было с большой натяжкой. Однако сам факт того, что к списку многочисленных достоинств материала добавилась возможность превращаться в магнит, дает пространство для дальнейших маневров и новых прорывов. И нет сомнений, что они будут — над магнетизмом графена колдуют и британские, и американские, и немецкие специалисты.

Сегодня в качестве электродов, поляризацию которых можно варьировать с помощью магнитного поля, применяют ферромагнетики, и они со своей задачей вроде бы неплохо справляются. Принцип магнитного туннельного перехода используется в создании считывающих головок в жестких дисках и базовых элементов оперативной памяти, которая выбирает данные в 5 раз быстрее, чем флэш-память, и на три порядка быстрее записывает данные, потребляя при этом вдвое меньше энергии. Разработками в этой области занимается целый ряд крупных производителей компьютерной техники, однако специалисты признаются, что получившие распространение ферромагнетики, в основе которых лежит металл, не обладают возможностью усилить сигнал. Настоящим прорывом стало бы появление материала, обладающего свойствами ферромагнетика и полупроводника, то есть способного, с одной стороны, менять спиновую поляризацию при воздействии магнитного поля, а с другой — легко интегрироваться с обычными полупроводниковыми устройствами. Намагниченный графен — материал именно из этой серии. Теперь, когда исследователи узнали, что графен можно сделать магнитным, пусть и при определенных условиях, появились шансы на то, что именно он станет тем идеальным материалом для спинтроники, которая сделает технические устройства еще умнее, быстрее и экономичнее. И хотя сами авторы исследования пока говорят больше о фундаментальном, нежели прикладном значении исследования, очевидно, что гонка компьютерного вооружения теперь сосредоточится на материале, который его создатели скромно сравнивают с сеткой, используемой в качестве ограды на птичьих дворах.