Лаборатория № 14 «Ферромагнитных тонкопленочных элементов для систем управления»

Заведующий лабораторией № 14 Сергей Иванович КасаткинЛаборатория создана заслуженным деятелем науки РФ д.т.н., профессором Наталией Петровной Васильевой в 1977 г. на базе группы, в 50-е годы занимавшейся разработкой первых в стране промышленных серий магнитных логических элементов ЭЛМ-50 и ЭЛМ-400, нашедших широкое применение в народном хозяйстве (метро, металлургия и др.) и обороне (атомные подводные лодки и ледоколы). В лаборатории велись разработки элементов вычислительной техники и автоматики на основе фундаментальных исследований ферромагнитных тонкоплёночных структур: регистровых запоминающих устройств на плоских магнитных доменах, магнитных дисков, магнитных карт и ленточных носителей информации, запоминающих элементов на анизотропном магниторезистивном (АМР) эффекте. Основными разработчиками этих систем были: проф., д.т.н. П. Васильева, к.т.н. Ф. А. Гал, д.т.н. С. И. Касаткин, к.ф.-м.н. Л. И. Коссе, к.т.н. Ю. С. Куликов, к.т.н. В. И. Малютин, к.т.н. А. М. Муравьёв, к.т.н. О. А. Седых, к.т.н. В. С. Семёнов, к.т.н. О. М. Фиошкина. В настоящее время заведующим лабораторией является д.т.н. Сергей Иванович Касаткин.

В последние 15 лет основные работы лаборатории относятся к области теоретических, экспериментальных и технологических исследований наноэлементов магнитной спинтроники. Конкретно, ведутся исследования МР многослойных тонкоплёночных элементов: датчиков магнитного поля, запоминающих и логических наноэлементов и др. Разрабатывается контрольно-измерительное оборудование для контроля технологического процесса изготовления и исследования наноэлементов. Сотрудники разрабатывают приборы на основе датчиков магнитного поля и тока совместно с рядом заинтересованных организаций. Основные участники работ: д.т.н. С. И. Касаткин; проф., д.т.н. Н. П. Васильева; к.т.н. А. М. Муравьёв; вед. инж. Н. В. Плотникова; матем. 1-й категории Д. В. Вагин.

Разработка и исследование МР наноэлементов. Сегодня в мире активно ведётся разработка и выпуск наноэлементов на АМР эффекте, достигающем величины 1,5–2,5%, и на относительно недавно открытых двух разновидностях гигантского МР (ГМР) эффекта: спин-вентильном МР (СВМР), составляющем 10–15%, и спин-туннельном МР (СТМР), достигающем 400%.


НАТАЛИЯ ПЕТРОВНА ВАСИЛЬЕВА

Наталия Петровна ВасильеваЗаслуженный деятель науки России, доктор технических наук, профессор Наталия Петровна Васильева является крупным учёным в области магнитных запоминающих и логических устройств автоматики и вычислительной техники. В Институте работает с 1950 г., с 1977 г. — заведующая лабораторией, с 1991 г. — главный научный сотрудник.

Под руководством Н. П. Васильевой было развито новое научное направление, посвящённое созданию бесконтактных магнитных логических элементов автоматики и вычислительной техники. Н. П. Васильева разработала основы теории и методы проектирования магнитных логических элементов, составной частью которой являлась теория функциональной устойчивости, инвариантной к типу логических элементов. Прикладные результаты этой теории позволили повысить срок активной жизни систем автоматики ряда стационарных и нестационарных объектов. Под руководством Н. П. Васильевой впервые в стране были разработаны серии магнитных логических элементов «Логика ЭЛМ50» и «Логика ЭЛМ400», которые нашли широкое применение в народном хозяйстве страны и военно-морском флоте. Использование результатов в общекорабельных системах управления (СУ) носило крупномасштабный и весьма эффективный характер.

В 1977 г. Наталия Петровна создаёт и возглавляет в Институте лабораторию запоминающих устройств вычислительной техники на непрерывных магнитных средах. В этих магнитных средах, позволяющих создавать энергонезависимые и радиационно-стойкие устройства, носителями информации являлись плоские магнитные домены.

С 1988 г. Н. П. Васильева была инициатором и руководителем исследования тем, посвящённых разработке теории и методов получения ферромагнитных многослойных тонкоплёночных носителей информации: магниторезистивных запоминающих элементов, магнитных дисков и лент. В настоящее время Н. П. Васильева занимается обобщением и анализом работ по магнитной спинтронике, в первую очередь, по многослойным тонкоплёночным магниторезистивным элементам.

Результаты работ Н. П. Васильевой отражены в семи монографиях и более чем 100 публикациях. Она неоднократно выступала с докладами на международных и всесоюзных конференциях. Под её руководством защитили диссертации 15 аспирантов. В настоящее время Наталия Петровна Васильева — советник-эксперт Учёного совета Института.


Элементы с АМР эффектом. В лаборатории разработаны многослойные и однослойные АМР датчики магнитного поля и тока, предложены новые методы управления и конструкции, проведён теоретический анализ их работоспособности. Основным достоинством многослойных датчиков является многократно уменьшенный, по сравнению с широко распространёнными однослойными, гистерезис. Это позволяет использовать их во многих применениях как аналоговые устройства, за исключением области магнитных полей, близких к пределу чувствительности датчиков. В настоящее время сотрудниками лаборатории ведутся работы по внедрению этих датчиков в нескольких организациях.

Элементы с СВМР и СТМР эффектом. На основе СВМР и СТМР наноструктур за рубежом разработаны и уже выпускаются датчики магнитного поля и тока, гальванические развязки с уникальными параметрами, головки считывания, МР энергонезависимые однокристальные запоминающие устройства с произвольной выборкой (ЗУПВ). Начаты исследования спиновых транзисторов и микропроцессоров, новым параметром которых является направление спина электрона.

В лаборатории проведены теоретические исследования наноэлементов обоих типов для применения их в качестве запоминающих и логических элементов, датчиков магнитного поля; предложены новые методы управления и конструкции. В последние годы совместно с рядом организаций проводятся экспериментальные и технологические исследования спин-туннельного МР перехода, являющегося основой подобных элементов. Получены переходы, обладающие СТМР эффектом.

Магнитополупроводниковые элементы. Одной из новых перспективных тенденций магнитной спинтроники стала разработка магнитополупроводниковых наноструктур. За рубежом они применяются в спиновых транзисторах, в наноструктурах с ГМР эффектом их применение увеличивает этот эффект. Лаборатория совместно с рядом организаций занимается исследованием магнитных свойств МР наноструктур с полупроводниковыми SiC слоями. Впервые обнаружено влияние полупроводникового слоя на процессы перемагничивания магнитных слоёв.

Разработка приборов с АМР датчиками. В настоящее время совместно с заинтересованными организациями ведётся разработка измерительного прибора на принципах магнитной локации, базирующегося на созданном в рамках этой работы алгоритме и матобеспечении определения пространственных и угловых координат магнитного диполя. Области применения подобных приборов: тренажёры, трёхмерные компьютерные манипуляторы, медицинские приборы, неразрушающий дистанционный контроль материалов и изделий, обнаружение объектов, обладающих магнитными полями и т. п. Проверена возможность применения АМР датчиков и головок для диагностики объектов по близлежащим к их поверхности магнитным полям.

Перспективы. Магнитная спинтроника, как ветвь нано- и микроэлектроники, занимающаяся разработкой элементов с фиксацией направления спина электрона в качестве параметра, в настоящее время является одной из наиболее активно развиваемых в мире. Это направление относится к наукоёмким технологиям двойного назначения, определяющим научный и технологический потенциал страны. Лаборатория будет продолжать работы в области исследования новых видов ГМР и магнитополупроводниковых наноструктур, разработки МР наноэлементов на их основе и приборов с МР наноэлементами.

Сотрудники лаборатории участвуют в работах по грантам РФФИ и договорам с физико-техническими институтами и организациями страны.

В 2001 и 2005 гг. выпущены монографии, отражающие основные теоретические и практические результаты: С. И. Касаткин, Н. П. Васильева, А. М. Муравьёв «Многослойные тонкоплёночные магниторезистивные элементы» и «Спинтронные магниторезистивные элементы и приборы на их основе».