Нобелевская премия по физике

Мы продолжаем знакомить вас с лауреатами Нобелевских премий нынешнего года в области естественных наук. Неделю назад речь шла об одном британском и двух американских генетиках, удостоенных Нобелевской премии по медицине. Сегодня мы поговорим об учёных, получивших награду по физике. Их двое, оба они – европейцы и почти ровесники. Это француз Альбер Ферт и немец Петер Грюнберг.

Профессору Альберу Ферту (Albert Fert) – 69 лет. Он родился 7-го марта 1938-го года в Каркассоне на юге Франции. Гимназию закончил в Тулузе, а затем изучал физику и математику в Париже. С 1962-го по 1964-й годы работал ассистентом в университете в Гренобле, где и защитил диплом на тему «Ядерный магнитный резонанс в водороде, абсорбированном палладием». В 1964-65-м годах Ферт проходил службу в армии, а демобилизовавшись, поступил на работу в университет Париж-Юг. Здесь в 1970-м году он защитил докторскую диссертацию по специальности «физика твёрдого тела» и почти сразу возглавил собственную исследовательскую группу. С 1976-го года Ферт – профессор, сочетающий научную работу с преподавательской деятельностью. В дополнение к этому в 1995-м году он стал сооснователем и научным руководителем совместной лаборатории Французского национального центра научных исследований (CNRS) и многоотраслевого концерна «Thales». За свои изыскания и открытия Ферт удостоен великого множества почётных наград, включая премии Американского физического общества, Европейского физического общества, Французского физического общества, весьма престижную израильскую премию Вольфа и не менее престижную Национальную премию Японии. Значительную часть этих наград Альбер Ферт разделил – так же как теперь и Нобелевскую премию – с Петером Грюнбергом. Однако несмотря на такое обилие наград, звонок из Стокгольма вызвал у Ферта восторг:

Я так счастлив, так горд за свою семью, за своих сотрудников, прежде всего, за молодых сотрудников. И я также очень счастлив разделить эту награду с Петером Грюнбергом, которого считаю своим другом. Мы совершили наше открытие независимо друг от друга, но после этого всегда честно делились полученными результатами, а временами и сотрудничали. Это хороший пример плодотворного научного взаимообмена между двумя нашими странами.

Профессор Ферт женат, у него двое детей. Он очень любит джаз – прежде всего, записи гениального американского пианиста Телониуса Монка (Thelonious Monk), – и кино, особенно картины знаменитого испанского режиссёра-авангардиста Педро Альмодовара (Pedro Almodóvar). Ферт увлекается фотографией, обожает горные ландшафты своего детства – французские Пиренеи, – но в то же время занимается сугубо морским видом спорта – виндсёрфингом. Кроме того, любит регби и теннис. Примечательно – и, надо сказать, крайне нетипично для учёного такого масштаба, – то, что Ферт всю свою научную жизнь провёл на родине, не выезжая надолго за её пределы.

Петер Грюнберг (Peter Grünberg) на год моложе Ферта. Он родился 18-го мая 1939-го года в Пльзене. Сегодня этот город находится на территории Чехии, а тогда он вскоре после рождения будущего нобелевского лауреата оказался под немецкой оккупацией в составе протектората Богемия и Моравия. После окончания войны семья Грюнбергов, как и миллионы других представителей немецкого меньшинства, была изгнана из Чехословакии. Грюнберги осели в городке Лаутербахе, земля Гессен. Там Петер в 1959-м году закончил гимназию, а затем поступил на физический факультет университета имени Гёте во Франкфурте-на-Майне. В 1963-м году он перевёлся в Высшую техническую школу в Дармштадте. Именно здесь один из профессоров, застав однажды студента Грюнберга ни свет ни заря в лаборатории, заметил: «В такую рань уже на ногах? Так поступают будущие нобелевские лауреаты!» «И я тогда подумал: как это верно!» – с улыбкой вспоминает теперь Грюнберг. Защитив в 1966-м году диплом, а в 1969-м году – диссертацию, он на три года уехал в Канаду, в Карлтонский университет в Оттаве. По возвращении в Германию он поступил на работу в Институт твёрдого тела при Исследовательском центре в Юлихе неподалёку от Кёльна, где и трудится до сих пор практически без перерыва, если не считать одного года, проведённого в США, в Национальной лаборатории Аргонн близ Чикаго, штат Иллинойс, и полугодового пребывания в Японии, в исследовательском центре Цукуба. Параллельно с научной работой в Юлихе профессор Грюнберг с 1992-го года преподаёт также в Кёльнском университете. В 2004-м году, по достижении 65-ти лет, учёный формально вышел на пенсию. Приветственную речь на торжественной церемонии, посвящённой юбилею, произнёс почётный гость из Франции – конечно же, профессор Альбер Ферт. Однако перестав выполнять какие бы то ни было административные функции, профессор Грюнберг отнюдь не прекратил научную деятельность. В Юлихе за ним сохраняется кабинет, он по-прежнему имеет доступ во все лаборатории.

Так же как и его французский коллега Ферт, Грюнберг был удостоен многих наград. В частности, в 1998-м году ему была вручена лишь незадолго до этого учреждённая Немецкая премия будущего. Весть о присуждении Нобелевской премии застало учёного на работе в его кабинете. На вопрос журналистов о том, стала ли она для него неожиданностью, Грюнберг ответил:

Отчасти стало, отчасти – нет, я ведь уже получил немало премий, и при этом всегда как бы имелось в виду, что вот теперь недостаёт только одной, самой главной. Так что возможность такую я не исключал. И всё же само известие о присуждении стало неожиданностью. Если бы я был твёрдо уверен, что это произойдёт, то пришёл бы на работу в галстуке!

На досуге профессор Грюнберг увлекается музыкой, причём не только пассивно её потребляет, но и сам долгие годы активно играл на классической гитаре. В последнее время он больше внимания уделяет спорту – в частности, гольфу. Профессор Грюнберг женат, у него трое детей – сын и две дочери. Об этом обстоятельстве учёный особо упомянул, отвечая на вопрос, как он намерен распорядиться призовыми деньгами:

Я могу теперь поехать на любую научную конференцию в любую точку мира и взять с собой жену, потому что у меня не будет проблем с уплатой взноса за участие в этом мероприятии. Да и имея трёх детей, приятно знать, что в финансовом отношении имеешь некоторый запас прочности. Моей работой больше других интересуется моя младшая дочь. Сейчас ей 27 лет, она изучает экономическую математику в Лондоне.

Однако пора уже обратиться к тому научному достижению, за которое лауреаты, собственно, и удостоились столь высокой награды. Согласно официальной формулировке Нобелевского комитета, премия присуждена за открытие гигантского магнитосопротивления (сокращённо ГМС) – открытие, сделанное Фертом и Грюнбергом независимо друг от друга в 1988-м году.

Рассказывать по радио об открытиях в области современной физики из года в год становится всё труднее. Физики не бывает без математики, но ведь было бы нелепо и бессмысленно зачитывать в эфире математические выкладки, а уж демонстрировать графики и вовсе невозможно. Ситуация дополнительно осложняется тем, что многие явления и эффекты, рассматриваемые в современной физике, имеют место лишь при таких условиях, к которым наши обычные повседневные представления совершенно неприменимы, идёт ли речь о крайне низких или крайне высоких температурах, об огромных давлениях или почти полном вакууме, о гигантских скоростях или тончайших плёнках. Такого рода явления и эффекты, как правило, не могут быть истолкованы в рамках классических представлений, а объяснять на пальцах квантовые феномены – и вовсе занятие безнадёжное. Всё это в полной мере относится и к открытию, удостоенному Нобелевской премии по физике в нынешнем году.

Вообще термином «магнитосопротивление» принято именовать изменение электрического сопротивления твёрдого проводника под действием внешнего магнитного поля. Явление анизотропного магнитосопротивления было открыто очень давно, полтора века назад, британским физиком Уилльямом Томпсоном (William Thompson), он же лорд Кельвин (Lord Kelvin), и с тех пор довольно широко использовалось в технике. Учёный показал, что сопротивление металлического проводника уменьшается, если внешнее магнитное поле направлено вдоль него, и увеличивается, если поле направлено поперёк. Природа этого явления объясняется искривлением траектории носителей заряда в магнитном поле и вполне укладывается в представления классической электронной теории металлов. А вот эффект, открытый Фертом и Грюнбергом, – гигантское магнитосопротивление, или «сверхмагниторезистивность», – может быть объяснён только в рамках квантовой электродинамики. Этот эффект – как и целый ряд других, с точки зрения фундаментальных исследований ничуть не менее интересных, – собственно, и не мог быть открыт раньше, потому что он проявляется в очень тонких плёнках, толщина которых измеряется несколькими нанометрами, то есть миллиардными долями метра, а получение таких плёнок, состоящих всего из нескольких атомных слоёв, требует сложных технологий, разработанных лишь в 70-х годах прошлого века. Кроме того, все эти эффекты связаны с таким сугубо квантовым, не имеющем аналога в классической механике, понятием как спин электрона. Спин – это внутреннее свойство электрона, связанное с наличием у него дополнительной степени свободы и проявляющееся в том, что он обладает собственными механическим и магнитным моментами. Неслучайно Ферт и Грюнберг, изучающие магнитные и электрические свойства наносэндвичей, то есть многослойных тонкоплёночных образцов, считаются основателями нового направления в электронике – спинтроники. Но как получилось, что двое учёных независимо друг от друга, да ещё работающие в разных странах, практически одновременно обнаружили один и тот же эффект? Профессор Грюнберг вспоминает:

Я думаю, импульс был дан другим открытием, которое мы сделали здесь в Юлихе двумя годами раньше, а именно открытием антиферромагнитного межслоевого обменного взаимодействия. У меня сложилось впечатление, что очень немногие учёные поверили тогда в существование этого взаимодействия, но Альбер Ферт был одним из тех, кто поверил. Сам он занимался в то время изучением эффекта магнитосопротивления в низколегированных сплавах и подумал, что было бы интересно исследовать этот эффект и в многослойных структурах с антиферромагнитным обменным взаимодействием. Вот так мы стали заниматься одной и той же темой в сходных системах и обнаружили этот самый эффект гигантского магнитосопротивления. Ферт работал с трёхслойными сэндвичами, мы – с двухслойными, поэтому у нас эффект был слабее, но это был один и тот же эффект. Мы открыли его одновременно, потому что мы оба занимались межслоевым обменным взаимодействием, которое, собственно, и привело к открытию эффекта ГМС. А поскольку этот эффект быстро нашёл широкое прикладное применение, то именно он и получил гораздо большую известность, нежели феномен обменного взаимодействия.

Суть эффекта гигантского магнитосопротивления состоит в том, что при определённых условиях уже крайне малые изменения магнитного поля могут очень значительно изменять электрическое сопротивление. О том, что этот эффект найдёт столь широкое практическое применение, оба исследователя, конечно, не знали, тем более что они занимались сугубо фундаментальными изысканиями, однако Грюнберг оказался прозорливее и сразу же запатентовал своё открытие. Шведский физик-теоретик Ларс Бергстрём (Lars Bergström), член Нобелевского комитета, говорит:

Альбер Ферт открыл эффект гигантского магнитосопротивления практически одновременно с Петером Грюнбергом, но запатентовал своё открытие именно Грюнберг. Этим он напоминает Альфреда Нобеля, который тоже многие свои открытия сразу же патентовал – например, динамит в 1867-м году. Так что можно сказать, в нынешнем году выбор, сделанный Нобелевским комитетом, вполне отвечает духу основателя премии.

За минувшие 19 лет патент Грюнберга принёс Исследовательскому центру в Юлихе десятки миллионов евро. Гигантское магнитосопротивление оказалось тем эффектом, который был словно специально создан природой для того, чтобы обеспечить резкое увеличение ёмкости и уменьшение габаритных размеров компьютерных жёстких дисков, поскольку позволял создать миниатюрные сенсорные головки для считывания информации, плотно записанной на диске в магнитном виде. Эксперты американской компания «IBM» сразу же осознали потенциал этого открытия. Крупный вклад в разработку элементов памяти на основе эффекта ГМС внёс один из ведущих научных специалистов фирмы Стюарт Паркин (Stuart Parkin). Были созданы новые технологии, существенно отличающиеся от тех, которые использовали учёные в своих лабораториях, зато пригодные для условий массового промышленного производства этих тонких трёхслойных сэндвичей, были найдены новые материалы, обеспечивающие нужный эффект не при температуре жидкого гелия, как у Ферта и Грюнберга, а при комнатных температурах, и в 1997-м году на рынке появился первый жёсткий диск с новой считывающей головкой, в конструкции которой было использовано открытие нынешних нобелевских лауреатов. С тех пор технология производства таких накопителей информации развивается поистине небывалыми темпами.

На сегодняшний день в Германии за 100 с небольшим евро уже вполне реально купить жёсткий диск ёмкостью в 1 терабайт, то есть в 1000 гигабайт. Чтобы получить более наглядное представление об объёме памяти этого диска, можно привести такие цифры: на нём поместятся полные тексты всех книг, хранящихся в 40-ка средних городских библиотеках, или содержимое 200 DVD с фильмами, или полтора миллиона фотографий в весьма высоком разрешении. Если взять стандартные дискеты с таким же суммарным объёмом памяти и положить одну на другую, то образуется столб высотой более 2-х километров.

Сегодня уже практически невозможно найти компьютер, в котором не было бы устройств на основе эффекта, открытого Фертом и Грюнбергом. Сам Грюнберг говорит:

Конечно, данные немного колеблются: где-то приводится цифра «95 процентов всех компьютеров», где-то «90 процентов», но это, в конечном счёте, не так уж и важно. Главное то, что наш эффект реально позволил за минувшие 10 лет повысить ёмкость жёстких дисков примерно в 50 раз. А между тем, новые квантовые эффекты в тонких плёнках открывают новые перспективы. Тут можно назвать эффект колоссального магнитосопротивления. Или, скажем, эффект туннельного магнитосопротивления. Учёным, работающим в области фундаментальных исследований, ещё есть чем заняться.

Вот и всё на сегодня. О лауреате Нобелевской премии по химии мы расскажем в следующей передаче через неделю.