Не каждый ученый, занимаясь фундаментальными исследованиями, одновременно создает и недостающее оборудование для этих исследований, и не каждый к этому стремится, но у некоторых это получается совершенно естественным образом. Известный специалист в области магнетизма, спинтроники и нанотехнологии Михаил Миляев, избранный в 2025 году членом-корреспондентом РАН, получает фундаментальные результаты, собирая вместе с коллегами экспериментальные установки, развивая новые методики и решая технологические задачи.
Выпускник физического факультета Уральского госуниверситета, М.А. Миляев всю жизнь работает в Институте физики металлов имени М.Н. Михеева, куда был принят на должность стажера-исследователя. Сегодня он главный научный сотрудник, заведующий лабораторией квантовой наноспинтроники ИФМ УрО РАН, руководитель отдела технологий и диагностики наноструктур ЦКП «Испытательный центр нанотехнологий и перспективных материалов». Мы поговорили с Михаилом Анатольевичем о его работе и о перспективах его области исследований.
— С чего начался ваш интерес к науке?
— Наверное, все же с экспериментирования. Конечно, в школьные годы я увлекался точными науками — физикой, математикой. Ходил в библиотеку, читал научно-популярные книги, особенно запомнились «От нейтрино до Вселенной» М. Васильева и «Приключения великих уравнений» В. Карцева. Но больше всего любил ставить эксперименты. Мальчишки обычно интересуются тем, что взрывается. А я сделал трансформатор из… гири, обмотав ее тонкими проводами и подключив их к розетке. И маленькая лампочка у меня загорелась! Но это был самый неэкономичный трансформатор в мире. Как-то пытался изготовить зеркало и собрать телескоп. Много было таких проектов, вроде бы безрезультатных, но познавательных. А еще я получил производственный опыт до поступления в университет — поработал на Курганском заводе колесных тягачей оператором ЭВМ.
— Как вы определились с научным направлением?
— В первые годы в институте я занимался изучением структуры и магнитных свойств антиферромагнитных металлов, осваивал методы рентгеноструктурного анализа и вибрационной магнитометрии. Моими учителями в науке были тогдашний заведующий лабораторией электрических явлений Кирилл Борисович Власов и Римма Идиятовна Зайнуллина, мой научный руководитель. Потом интересы сместились к исследованию упругих и гальваномагнитных свойств антиферромагнетиков. Вместе с коллегами мне удалось обнаружить и теоретически описать новый эффект — температурный магнито-акустический резонанс. По результатам исследований антиферромагнетиков у нас вышел цикл статей в «Журнале экспериментальной и теоретической физики».
В 1990-е годы в институте стало развиваться новое направление, которое инициировал на Урале, да и в стране академик Владимир Васильевич Устинов, — спинтроника металлических наноструктур. И я переключился на это направление, занялся разработкой технологий получения тонких пленок, многослойных наноструктур и изучением их структурных, магнитных, гальваномагнитных свойств.
— Расскажите, пожалуйста, о работах тех лет.
— Основными объектами наших исследований были сверхрешетки железо/хром, которые мы выращивали на сверхвысоковакуумной установке молекулярно-лучевой эпитаксии Катунь-С. Одним из необычных результатов стало получение сверхрешеток, обладающих многоступенчатым изменением намагниченности и гигантского магнитосопротивления, обусловленным процессами послойного перемагничивания многослойной структуры. У нас тогда завязались активные контакты с Институтом Лауэ-Ланжевена — международным исследовательским центром нейтронной физики (Гренобль, Франция), там мы проводили исследования наших сверхрешеток методом поляризованных нейтронов. В то время мы в лаборатории собрали высокочувствительный автоматизированный вибрационный магнитометр и установку для исследований гальваномагнитных свойств пленок и наноструктур при различных температурах, разработали рентгеновскую методику, позволяющую получать информацию о свойствах межслойных границ в многослойных наноструктурах.
С запуском в эксплуатацию высоковакуумной магнетронной установки MPS 4000 C6 фирмы ULVAC (Япония) в 2008 году у нас появилась возможность получать широкий спектр магнитных наноструктур как для проведения научных исследований, так и для разработки магниточувствительных наноматериалов для практических приложений. Постепенно мы создавали гермитизационный модуль чистых помещений и оснащали его литографическим оборудованием. Оно необходимо для создания микроструктур со сложной геометрией и прототипов магнитных сенсоров. Была разработана лабораторная магнетронная технология напыления наноструктур с совершенной кристаллической структурой слоев и межслойных границ, получены безгистерезисные спиновые клапаны (их сопротивление однозначно определяется напряженностью магнитного поля), спиновые клапаны с высокой чувствительностью в области слабых магнитных полей, гибкие спиновые клапаны, функциональные магнитные сверхрешетки с эффектом гигантского магнитосопротивления (ГМС).
— Последний из названных вами результатов — магнетронная технология синтеза магнитных наноструктур с эффектом ГМС — был отмечен в числе основных научных достижений РАН за 2022 год. В чем уникальность этого результата?
— Мы разработали обменно-связанные металлические сверхрешетки, которые по величине магнитосопротивления, минимальности гистерезиса и высокой линейности по магнитному полю не имеют зарубежных аналогов. По сочетанию свойств они лучшие в своем классе магниточувствительных наноматериалов.
По величине магнитосопротивления в ГМС сверхрешетках другого типа мы получили второй результат в мире (первенство принадлежит лаборатории компании IBM (США). Рекордные функциональные характеристики магнитных наноструктур были достигнуты благодаря отработке технологии их получения, выбору оптимальной композиции и использованию оригинальных магнитных и немагнитных сплавов.
Поиск оптимальных композиций многослойных наноструктур и процесс их получения очень сложны. Характерная толщина слоев в ГМС сверхрешетках составляет единицы нанометров. При этом свойства таких сверхрешеток зависят от чрезвычайно малых изменений толщины отдельных слоев, на уровне десятков пикометров. Здесь речь идет о номинальной толщине слоев, рассчитываемой по времени их напыления. Это уже ближе к пикотехнологиям (от итальянского piccolo — маленький). Даже для специалистов пока непривычно, что можно что-то делать на таком уровне — пикометр равен одной триллионной части метра и одной тысячной доли нанометра.
— ИИ утверждает, что пикотехнология — это пока гипотетический уровень технологических манипуляций с веществом.
— Действительно трудно представить, что можно технологически управлять такими толщинами. И тем не менее мы постепенно набираем опыт систематической работы в этом направлении. Например, исследования показывают, что важные для применения характеристики сверхрешеток заметно меняются при изменении времени напыления отдельных слоев на 0.2–0.3 секунды, что в нашем случае эквивалентно изменению номинальной толщины слоев на 0.02–0.03 нанометра, или же 20–30 пикометров. Эффекты здесь настолько тонкие, что их не всегда можно воспроизвести при тех же условиях. Иногда даже кажется, будто они зависят от фазы Луны или от настроения экспериментатора. Однако нам удалось разработать наноструктуры с уникальными свойствами именно благодаря технологическим манипуляциям на этом «гипотетическом» уровне.
— Исследования, о которых мы говорим, скорее фундаментальные. А где могут применяться их результаты?
— Для прикладных задач важна не только величина магнитосопротивления, но и другие характеристики. Мы нашли типы материалов и отработали технологии, при которых можно получить набор свойств, необходимых для разработки перспективных изделий магнитоэлектроники. Сверхрешетки устойчивы к воздействию высоких температур вплоть до 300 °С и могут служить исходными магниточувствительными средами для создания магнитных сенсоров. Оптимизированные под конкретные задачи ГМС наноструктуры уже используются на предприятиях радиоэлектронной промышленности.
Магнитные сенсоры необходимы в приборах самого различного назначения, они применяются в автомобилестроении, робототехнике, промышленной автоматике, в устройствах переключения. Наши магнитные металлические структуры обладают высокой чувствительностью в малых магнитных полях. Технологически можно получать наноструктуры, которые требуются для разных диапазонов изменения магнитного поля, что расширяет возможности их использования. Одно из направлений — создание моделей магнитных сенсоров и приборов для измерения магнитного поля. Сегодня мы осваиваем новые области в наноспинтронике и заинтересованы в том, чтобы разрабатывать материалы для широкого круга предприятий.
Беседовала
Е. ПОНИЗОВКИНА