Вісник НАН України. 2014. № 7. С. 45-53.
https://doi.10.15407/visn2014.07.045

ЧЕКМАН Іван Сергійович –
член-кореспондент НАН України і  НАМН України,
 завідувач кафедри фармакології та клінічної фармакології
Національного медичного університету ім. О.О. Богомольця

СІМОНОВ Павло Вадимович –
аспірант кафедри фармакології та клінічної фармакології
Національного медичного університету ім. О.О. Богомольця

ГІГАНТСЬКИЙ МАГНЕТООПІР:
ПРИРОДА ЯВИЩА, ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ, ЗАСТОСУВАННЯ В БІОЛОГІЇ ТА МЕДИЦИНІ

У статті висвітлено історію відкриття явища гігантського магнетоопору та основні етапи розвитку нового науково-технологічного напряму – спінтроніки. Стисло схарактеризовано конфігурації GMR-систем, серед яких особливо перспективними є спінові клапани, системи магнітного тунельного переходу. Ці конструкції застосовуються, зокрема, в медицині. Так, спінові клапани впроваджуються в клінічну практику як сенсори для діагностики та лікування захворювань, а також відстеження наночастинок в організмі людини. Подальший розвиток спінтроніки пов’язують з  оптимізацією систем на основі ефекту тунельного магнетоопору та їх інтеграції з лабораторіями-на-чипі й іншими засобами нанофлюїдики, що сприятиме більшій ефективності діагностичних і терапевтичних медичних заходів.

Ключові слова: гігантський магнетоопір, спінтроніка, Нобелівська премія, спіновий клапан, тунельний магнетоопір, лабораторія-на-чипі.

Другу половину XX і початок ХХІ ст. можна без перебільшення назвати ерою мікро- та наноелектроніки. Упродовж цих років світ став свідком технологічної революції, зумовленої розвитком цифрової логіки та інформаційних технологій. Проте в будь-яких пристроях, від першого транзистора до сучасних мікропроцесорів, що вражають своїми обчислювальними можливостями, електроніка переважно використовувала лише одну властивість електрона – заряд. Однак електрон має ще одну, щоправда, суто квантово-механічну характеристику – власний момент імпульсу, або спін, який аж донедавна не привертав до себе особливої уваги розробників і дослідників. Нині ситуація змінилася, і на авансцену вийшов новий науково-технологічний напрям, що дістав назву спінтроніка.

Відомо, що в зовнішньому магнітному полі власний магнітний момент електрона, зумовлений спіном, орієнтується або паралельно вектору магнітної індукції (вгору), або антипаралельно (вниз). У пристроях, побудованих на спіновому ефекті, використовують, зокрема, феромагнетики. За температури, нижчої за так звану точку Кюрі, феромагнетик можна умовно розбити на малі зони однорідної спонтанної намагніченості – домени. Якщо зовнішнє магнітне поле відсутнє, напрямки векторів намагніченості різних доменів довільні, і сумарна намагніченість усього тіла може дорівнювати нулю. У зовнішньому магнітному полі вектори намагніченості орієнтуються в певному переважному напрямку, створюючи сильне внутрішнє магнітне поле [1]. Завданням спінтроніки (спінової електроніки, або магнетоелектроніки) є розроблення приладів, робота яких заснована на властивостях електронних спінів. Це нове поле науки й технологій, на якому для створення нових функціональних пристроїв застосовуються як заряд, так і спін електрона [2]. 

Початок нової електроніки, яка заснована на фізичних ефектах, зумовлених спіном, відносять до 1988 р., коли було відкрито явище гігантського магнетоопору (англ. – giant magnetoresistance, або GMR). Однак передумови цього прориву було закладено ще в другій половині ХІХ ст. Усе почалося в 1857 р. з відкриття британським фізиком Вільямом Томсоном ефекту магнетоопору, що полягав у зміні опору електричного провідника під впливом зовнішнього магнітного поля. Це явище і сьогодні широко застосовують в електронних пристроях, серед яких – уже такі звичні жорсткі комп’ютерні диски для збереження інформації, а також сенсори для виявлення зміни характеристик магнітного поля. Останні широко використовують у медицині [3, 4]. 1988 рік ознаменувався загальним проривом у фізиці й зокрема в електроніці – науковий світ дізнався про існування ефекту гігантського магнетоопору. Цікаво, що це відкриття здійснили незалежно дві групи дослідників – у Юліхському дослідницькому центрі під керівництвом німецького фізика Петера Андреаса Грюнберга (Peter Andreas Grünberg) та в Університеті Париж-Південь XI під керівництвом французького вченого Альбера Ферта (Albert Fert). Обидва наукові колективи незалежно один від одного спостерігали явище зменшення електричного опору в тонких багатошарових металічних структурах під впливом зовнішнього магнітного поля. А. Ферт описав новий феномен, давши йому назву «гігантський магнетоопір», тоді як П. Грюнберг окреслив потенційну сферу застосування сенсорів, побудованих на цьому принципі, і подав відповідну заявку на патент. Неймовірно, але факт – обидві дослідницькі групи незалежно одна від одної представили результати власних досліджень на одній і тій самій конференції та опублікували відповідні роботи у одному й тому самому журналі Physical Review Journal за 1988 рік. Коли автори дізналися про такий дивовижний збіг обставин, то вирішили по-дружньому поділити лаври і разом володіти правами на відкриття [5, 6]. Повний текст (PDF) .