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 кон...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2014
Автори:	Чекман, І.С., Сімонов, П.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2014
Назва видання:	Вісник НАН України
Теми:	Статті та огляди
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69821
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Гігантський магнетоопір: природа явища, історія відкриття, застосування в біології та медицині / І.С. Чекман, П.В. Сімонов // Вісн. НАН України. — 2014. — № 7. — С. 45-53. — Бібліогр.: 42 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-69821
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-698212025-02-09T14:03:48Z Гігантський магнетоопір: природа явища, історія відкриття, застосування в біології та медицині Гигантское магнетосопротивление: природа явления, история открытия, применение в биологии и медицине Giant magnetoresistance: the character of phenomenon, the history of discovery, an implementation in biology and medicine Чекман, І.С. Сімонов, П.В. Статті та огляди 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. В статье освещены основные этапы истории открытия явления гигантского магнетосопротивления (GMR) и развития нового научного и технологического направления — спинтроники. Кратко охарактеризованы конфигурации GMR-систем, среди которых особенно перспективными являются спиновые клапаны, системы магнитного туннельного перехода. Данные конструкции нашли применение, в частности, в медицине. Так, спиновые клапаны внедряются в клиническую практику в виде сенсоров для диагностики и лечения заболеваний, а также отслеживания наночастиц в организме человека. В будущем спинтроника будет развиваться по направлению оптимизации систем на основе эффекта туннельного магнетосопротивления и интеграции последних с лабораториями-на-чипе и другими средствами нанофлюидики, что обеспечит более эффективное осуществление диагностических и терапевтических медицинских процедур. The major milestones of the history of discovery of the giant magnetoresistance (GMR) phenomenon and development of new scientific and technological field of spintronics are highlighted in the article. GMR systems’ configurations, among which especially promising spin valves and magnetic tunnel junction systems, are briefly characterized. These devices find their use, particularly, in medicine. For instance, spin valves are introduced in medical practice as sensors for diseases’ diagnosis and treatment and as devices which track nanoparticles in an organism. Spintronics will develop in direction of an optimization of tunnel magnetoresistance systems and an integration of those into lab-on-a-chip technologies and other nanofluidics devices. That will improve an efficacy of diagnostic and therapeutic procedures’ performance. 2014 Article Гігантський магнетоопір: природа явища, історія відкриття, застосування в біології та медицині / І.С. Чекман, П.В. Сімонов // Вісн. НАН України. — 2014. — № 7. — С. 45-53. — Бібліогр.: 42 назв. — укр. 0372-6436 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69821 537.81+621.317.33 uk Вісник НАН України application/pdf Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Статті та огляди Статті та огляди
spellingShingle	Статті та огляди Статті та огляди Чекман, І.С. Сімонов, П.В. Гігантський магнетоопір: природа явища, історія відкриття, застосування в біології та медицині Вісник НАН України
description	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.
format	Article
author	Чекман, І.С. Сімонов, П.В.
author_facet	Чекман, І.С. Сімонов, П.В.
author_sort	Чекман, І.С.
title	Гігантський магнетоопір: природа явища, історія відкриття, застосування в біології та медицині
title_short	Гігантський магнетоопір: природа явища, історія відкриття, застосування в біології та медицині
title_full	Гігантський магнетоопір: природа явища, історія відкриття, застосування в біології та медицині
title_fullStr	Гігантський магнетоопір: природа явища, історія відкриття, застосування в біології та медицині
title_full_unstemmed	Гігантський магнетоопір: природа явища, історія відкриття, застосування в біології та медицині
title_sort	гігантський магнетоопір: природа явища, історія відкриття, застосування в біології та медицині
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2014
topic_facet	Статті та огляди
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69821
citation_txt	Гігантський магнетоопір: природа явища, історія відкриття, застосування в біології та медицині / І.С. Чекман, П.В. Сімонов // Вісн. НАН України. — 2014. — № 7. — С. 45-53. — Бібліогр.: 42 назв. — укр.
series	Вісник НАН України
work_keys_str_mv	AT čekmanís gígantsʹkijmagnetoopírprirodaâviŝaístoríâvídkrittâzastosuvannâvbíologíítamediciní AT símonovpv gígantsʹkijmagnetoopírprirodaâviŝaístoríâvídkrittâzastosuvannâvbíologíítamediciní AT čekmanís gigantskoemagnetosoprotivlenieprirodaâvleniâistoriâotkrytiâprimenenievbiologiiimedicine AT símonovpv gigantskoemagnetosoprotivlenieprirodaâvleniâistoriâotkrytiâprimenenievbiologiiimedicine AT čekmanís giantmagnetoresistancethecharacterofphenomenonthehistoryofdiscoveryanimplementationinbiologyandmedicine AT símonovpv giantmagnetoresistancethecharacterofphenomenonthehistoryofdiscoveryanimplementationinbiologyandmedicine
first_indexed	2025-11-26T16:12:15Z
last_indexed	2025-11-26T16:12:15Z
_version_	1849870038748626944
fulltext	ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 7 45 ЧЕКМАН Іван Сергійович — член-кореспондент НАН України, член-кореспондент НАМН України, завідувач 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 магнетоопо- ру та основні етапи розвитку нового науково-технологічного напряму — спінтроніки. Стисло схарактеризовано конфігурації GMR-систем, серед яких особливо перспективними є спінові клапани, системи магнітного ту- нельного переходу. Ці конструкції застосовуються, зокрема, в медицині. Так, спінові клапани впроваджуються в клінічну практику як сенсори для діагностики та лікування захворювань, а також відстеження наночас- тинок 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 ме- дичних заходів. Ключові слова: гігантський магнетоопір, спінтроніка, Нобелівська пре- мія, спіновий клапан, тунельний магнетоопір, лабораторія-на-чипі. Другу половину XX і початок ХХІ ст. можна без перебільшен- ня назвати ерою мікро- та наноелектроніки. Упродовж цих ро- ків світ став свідком технологічної революції, зумовленої роз- витком цифрової логіки та інформаційних технологій. Проте в будь-яких пристроях, від першого транзистора до сучасних мі- кропроцесорів, що вражають своїми обчислювальними можли- востями, 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 магніт- ний момент електрона, зумовлений спіном, орієнтується або паралельно вектору магнітної індукції (вгору), або антипара- лельно (вниз). У пристроях, побудованих на спіновому ефек- ті, використовують, зокрема, феромагнетики. За температури, УДК 537.81+621.317.33 СІМОНОВ Павло Вадимович — аспірант кафедри фармакології та клінічної фармакології Національного медичного університету ім. О.О. Богомольця 46 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 7 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ нижчої за так звану точку Кюрі, феромагнетик можна умовно розбити на малі зони однорідної спонтанної намагніченості — домени. Якщо зо- внішнє магнітне поле відсутнє, напрямки век- торів намагніченості різних доменів довільні, і сумарна намагніченість усього тіла може до- рівнювати нулю. У зовнішньому магнітному полі вектори намагніченості орієнтуються в певному переважному напрямку, створюючи сильне внутрішнє магнітне поле [1]. Завданням спінтроніки (спінової електро- ніки, або магнетоелектроніки) є розроблення приладів, робота яких заснована на властивос- тях 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 заснова- на на фізичних ефектах, зумовлених спіном, відносять до 1988 р., коли було відкрито яви- ще гігантського магнетоопору (англ. — giant magnetoresistance, або GMR). Однак передумо- ви цього прориву було закладено ще в другій половині ХІХ ст. Усе почалося в 1857 р. з від- криття британським фізиком Вільямом Томсо- ном ефекту магнетоопору, що полягав у зміні опору електричного провідника під впливом зовнішнього магнітного поля. Це явище і сьо- годні широко застосовують в електронних пристроях, серед яких — уже такі звичні жор- сткі комп’ютерні диски для збереження інфор- мації, а також сенсори для виявлення зміни ха- рактеристик магнітного поля. Останні широко використовують у медицині [3, 4]. 1988 рік ознаменувався загальним прори- вом у фізиці й зокрема в електроніці — на- уковий світ дізнався про існування ефекту гігантського магнетоопору. Цікаво, що це від- криття здійснили незалежно дві групи дослід- ників — у Юліхському дослідницькому центрі під керівництвом німецького фізика Петера Андреаса Грюнберга (Peter Andreas Grünberg) та в Університеті Париж-Південь XI під керів- ництвом французького вченого Альбера Фер- та (Albert Fert). Обидва наукові колективи не- залежно один від одного спостерігали явище зменшення електричного опору в тонких ба- гатошарових металічних структурах під впли- вом зовнішнього магнітного поля. А. Ферт описав новий феномен, давши йому назву «гі- гантський магнетоопір», тоді як П. Грюнберг окреслив потенційну сферу застосування сен- сорів, побудованих на цьому принципі, і подав відповідну заявку на патент. Неймовірно, але факт — обидві дослідницькі групи незалежно одна від одної представили результати влас- Вільям Томсон, лорд Кельвін Петер Андреас Грюнберг Альбер Ферт ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 7 47 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ них досліджень на одній і тій самій конферен- ції 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]. А. Ферт і П. Грюнберг займалися моделю- ванням систем на основі послідовних шарів магнітного і немагнітного матеріалу завтовш- ки у кілька атомів. І хоча початкові прототи- пи таких елементів працювали лише в умовах наднизьких температур, фізики невдовзі вина- йшли матеріали і методи для відтворення тех- нології за кімнатної температури [7]. Відкриття GMR стало несподіванкою: хоча ефект магнетоопору вже був добре відомий фі- зикам, проривів у цьому напрямі не спостеріга- лося впродовж останніх 130 років досліджень. А. Ферт і П. Грюнберг сформулювали визна- чення гігантського магнетоопору як квантово- механічного ефекту, що спостерігається в ме- талевих плівках з послідовних феромагнітних і провідних немагнітних шарів і полягає у зна- чній зміні електричного опору таких структур при зміні взаємного напрямку намагніченості сусідніх магнітних шарів під дією зовнішнього магнітного поля. В основі ефекту, як виявило- ся, лежить розсіяння електронів, яке залежить від напрямку спіну [4]. У 2007 р. за цей неймовірний ривок у науці А. Ферта і П. Грюнберга було удостоєно Нобе- лівської премії з фізики. Нобелівський комітет так описав значущість їхньої роботи: «Від- криття гігантського магнетоопору відчинило двері до безлічі нових наукових та технологіч- них можливостей. Історія ефекту GMR наочно демонструє, як абсолютно несподіване науко- ве відкриття може дати поштовх до розвитку зовсім нових технологій та створення нових комерційних продуктів» [8]. Нині дослідження зі створення та застосу- вання GMR-елементів інтенсивно проводять- ся у багатьох країнах світу, зокрема й в Укра- їні [9—11]. Розроблено кілька конфігурацій таких систем: багатошарові структури, спінові клапани, системи магнітного тунельного пере- ходу та конфігурація гранульованого сплаву (рис. 1) [12]. Так, багатошарові структури складаються з двох і більшого числа шарів феромагнетику зі сплаву Fe—Co—Ni завтовшки 4—6 нм, роз- ділених надтонким (3—5 нм) шаром провід- ника — немагнітного металу, яким зазвичай є мідь. Взаємні орієнтації намагніченості шарів у системі можна змінювати то в одному, то в іншому напрямках. Якщо намагніченість ша- рів спрямована однаково, через провідник легко проходять електрони провідності, якщо напрямки протилежні — виникає опір. У цій Рис. 1. Різноманітність конфігурацій GMR-систем; пояснення див. у тексті [12] 48 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 7 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ конфігурації можна досягти різниці опорів у 4—9 % і більше за умови множинного повто- рення базової структури [13]. Окремо виділяють конфігурацію спінового клапана, в якій до багатошарової структури зверху чи знизу додають шар антиферомаг- нетику (закріплюючий шар). Таким чином у прилеглому шарі феромагнетику (закріпле- ному шарі) завдяки утворенню межі поді- лу досягається «фіксація» магнітного поля, інакше кажучи, намагніченість цього шару відносно нечутлива до змін зовнішнього маг- нітного поля. Другий шар феромагнетику є «вільним» — його намагніченість змінюється під дією зовнішнього магнітного поля (рис. 2). Опір спінового клапана при антипаралельних магнітних полях у феромагнетиках на 4—20 % вищий, ніж при паралельних [1]. Спіновий клапан вважають відкритим, якщо намагніче- ності в його шарах орієнтовані паралельно, та закритим — у протилежному випадку. Магнетоопір збільшується при нанесен- ні усередині закріплюючого шару або поверх вільного шару додаткової плівки з наноокси- дів. Ефект досягається завдяки дзеркальному розсіюванню електронів провідності на по- верхні поділу метал/ізолюючий шар [14—17]. У випадку системи магнітного тунельно- го переходу шари феромагнетику розділені не провідником, а надтонким ізолюючим матері- алом (тунельним бар’єром). Електрони прохо- дять таку плівку за принципом спінзалежного тунелювання. Це явище дістало назву «ефект тунельного магнетоопору». Як випливає з кван тово-механічних постулатів, імовірність тунелювання вища за умови паралельності обох магнітних моментів. В експерименталь- них приладах з метою підвищення продуктив- ності всієї системи часто застосовують поєд- нання ефекту тунелювання з принципом робо- ти спінового клапана. Як ізолюючий шар ви- користовують сполуки Al2O3 та MgO. Системи магнітного тунельного переходу теоретично здатні надавати різницю опору 70 % і більше, але впровадження цих елементів у практику потребує проведення подальших досліджень. Так, принцип тунельного магнетоопору по- кладено в основу новітніх експериментальних пристроїв магнеторезистивної оперативної пам’яті (MRAM), однак продуктивності еле- ментів магнітного тунельного переходу ще не достатньо для оптимальної роботи цих систем [18—20]. Ще одна конфігурація GMR-систем — гра- нульовані плівки Co—Cu та Co—Ag, які також виявляють ефект гігантського магнетоопору. У цьому випадку він пов’язаний зі спінзалеж- ним розсіюванням електронів на межі клас- терів Co. Параметри приладів з такою конфі- гурацією GMR-елементів значною мірою за- лежать від умов синтезу та оброблення нано- гранул (кластерів). Ступінь магнетоопору при цьому залежить від розміру кластерів Co, що становить переважно близько 30 нм у діаметрі та 10 нм заввишки. Є також подібні системи зі значно меншим розміром кластерів — до 2 нм. Різниця опорів у таких системах зазвичай ста- новить ≤ 9 % [21]. В останні роки розвиток нанотехнологій та винайдення таких пристроїв, як лабораторії- на-чипі, надали нового поштовху створенню приладів нанофлюїдики, здатних транспорту- вати рідину наноканалами, з можливістю по- дальшого проведення якісного і кількісного визначення складових дослідного матеріалу. З огляду на цей факт спінтроніка має стати но- вою перспективною технологією розвитку біо- сенсорів і біочипів [22—25]. Комерціалізація ефекту GMR — першої хви- лі спінтроніки — відбулася досить швидко по- Рис. 2. Принцип побудови спінового клапана; пояс- нення див. у тексті [9] ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 7 49 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ рівняно з іншими передовими технологіями. Нині спінтроніка — це галузь, яка стрімко роз- вивається, вона перебуває у фокусі багатьох на- укових програм по всьому світу, однак потенці- ал практичного призначення цього ефекту ще далеко не вичерпаний. Ефект GMR уже сьогод- ні застосовують у магнітних голівках для зчи- тування інформації з жорстких дисків, а також у багатьох сенсорах і датчиках. Розробляються такі новітні технології, як сканери для розпіз- навання наземних мін, а також уже згадувані MRAM-пристрої, в яких спіни електронів ви- користовують для кодування даних. Першу ко- мерційно доступну магнітну голівку жорсткого диску, що працювала за принципом GMR і мала будову багатошарової плівки з послідовних компонентів [NiFe (15 нм)/Cu (2,6 нм)/FeNi (15 нм)/FeMn (10 нм)], розробила корпорація IBM у 1997 р., після чого місткість вінчестерів зросла у сотні разів [6, 26, 27]. GMR-сенсори знайшли застосування й у рослинництві — для контролю умов росту та поливу, дослідження врожайності рослин, а також для визначення необхідних заходів за- хисту врожаю [28]. У медицині високороздільні GMR-сенсори застосовують з метою виявлення невидимих тріщин у медичних імплантатах, проведення тестів з дослідження протеїнів і ДНК у молеку- лярній діагностиці захворювань [29—32]. Ав- тори роботи [30] повідомляють про виявлення за допомогою GMR-датчика штаму Escherichia coli O157:H7 у таких продуктах харчування, як м’ясо та молоко. Учені розробили мікроскопічний GMR- сенсор з конфігурацією спінового клапана для виявлення нанорозмірних суперпарамагнітних маркерів у біологічному матеріалі in vitro. До- ведено, що прилад здатний за кімнатної тем- ператури виявляти мінімальні дози монодис- персних наночастинок Fe3O4 розміром 16 нм з найменшою кількістю 23 елементи. Відгук сенсора посилювався пропорційно збільшен- ню кількості наночастинок, ця залежність мала лінійний характер [33]. Принцип роботи систем виявлення спо- лук за допомогою GMR у медицині полягає у маркуванні біомолекул магнітними мікро- або наночастинками та виявленні магнітного поля розсіювання цих частинок GMR-сенсором піс- ля взаємодії маркера з мішенню [24, 34]. GMR- датчики вигідно відрізняються від інших чут- ливістю, широким діапазоном визначення, дешевизною та портативністю, можливістю проводити вимірювання за кімнатної темпе- ратури, гнучкістю застосування. Їх перевагою також є можливість інтеграції пристроїв з лабораторією-на-чипі [35, 36]. Для того щоб до- сягти необхідної чутливості, тобто визначення окремих молекул, розмір магнітних маркерів має бути сумірним з досліджуваними біомо- лекулами. У випадку ДНК ідеальним є розмір частинок 20 нм і менше [37]. Такі наночастин- ки не заважатимуть міжмолекулярній взаємо- дії, крім того, одна частинка з’єднуватиметься з одиничною молекулою ДНК, що дасть змогу з високою точністю кількісно інтерпретувати результати. Точності визначення сприяє також монодисперсність магнітних наночастинок за розміром та магнітним моментом, чого важко досягти у разі застосування мікрочастинок [24, 34, 38, 39]. З іншого боку, такі малі частинки становлять проблему при визначенні за допомогою сенсо- рів, оскільки їхні магнітні моменти дуже малі через обмежений фізичний об’єм, відносно ве- лику площу поверхні та значний температур- ний вплив на магнітні моменти, тобто суперпа- рамагнетизм. Саме тому для виявлення таких надмалих маркерів необхідно використовува- ти детектори, засновані на явищі GMR. Малий фізичний об’єм наночастинок об- межує їхні магнітні моменти, а отже — й маг- нітні поля розсіювання. Саме з цієї причини у власному оригінальному дослідженні G. Li з колегами застосували GMR-сенсор з конфігу- рацією спінового клапана, адже він має високу чутливість до слабкого магнітного поля нано- частинок. Цей експеримент довів доцільність і ефективність використання мікроскопічних спінових клапанів у виявленні та кількісному визначенні монодисперсних суперпарамагніт- них наночастинок як магнітних маркерів у біо- діагностиці [33]. 50 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 7 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ Ще в одному з досліджень GMR-сенсор з конфігурацією спінового клапана застосовува- ли для визначення розподілу наночастинок при гіпертермії в організмі in vivo, а також для ви- мірювання мікрострумів нервової системи [40]. Апарат мав вигляд голки (рис. 3), сконструйова- ної спеціально для полегшення введення в тіло пацієнта з метою проведення досліджень in vivo. GMR-сенсор площею 75×40 мкм розміщували на кінчику голки. Довжина голки 20 мм забез- печувала мінімальну інвазивність процедури та оптимальні умови для вимірювання щільності магнітного потоку. Переміщення магнітних наночастинок в ор- ганізмі пацієнта можна контролювати за допо- могою зовнішнього магнітного поля, тому такі наноструктури є перспективними для адресної доставки ліків, як контрастні агенти у МРТ, а також за умов додаткового нагрівання цим зо- внішнім магнітним полем для гіпертермії при лікуванні злоякісних новоутворень. З огляду на те, що в усіх описаних вище випадках колоїдний розчин з наночастинками в організмі пацієнта піддається розподілу, важливо вміти визначати концентрацію наночастинок у певних органах перед та після проведення клінічних процедур. Голка з GMR-сенсором призначена для відсте- ження наночастинок саме у таких випадках [41]. Важливим параметром при проведенні діа- гностики та лікування таких захворювань, як множинний склероз, хвороби Альцгеймера і Паркінсона, може виявитися розподіл магніт- ного поля нервової системи. При цьому до- цільно застосовувати розглянутий апарат зі спіновим клапаном. Під час дослідження гол- ку вводитимуть у тіло пацієнта поблизу нерва так, щоб розташувати її в безпосередній близь- кості до його бічної площини, після чого ви- мірюватимуть магнітне поле, створене навко- ло довгого тонкого провідника, яким є нерв. У дослідженні S. Yamada з метою імітації нерва брали дріт радіусом 15 мкм. Нервовий імпульс симулювали електричним струмом частотою 1 кГц. Голка сенсора при цьому безпосередньо торкалася дроту. Сигнал сенсора на виході по- силювався у 1000 разів і аналізувався за до- помогою осцилографа чи синхронізувального підсилювача [42]. Отже, відкриття явища гігантського магне- тоопору сприяло виникненню і розвитку ново- го наукового й технологічного напряму — спін- троніки, в якій значна увага приділялася спіну електрона — квантово-механічній характерис- тиці, що відображує власний момент імпульсу частинки. Розроблено різні конфігурації GMR- систем, серед яких найперспективнішими є спі- нові клапани і системи магнітного тунельного переходу. Гігантський магнетоопір знайшов застосування в електронних приладах, розро- блених для багатьох галузей господарства, зо- крема для медицини. Сьогодні спінові клапани впроваджують у клінічну практику як сенсори для діагностики та лікування захворювань, а також відстеження наночастинок в організмі людини. У подальшому спінтроніка, скоріш за все, розвиватиметься в напрямі оптимізації систем на основі ефекту тунельного магнето- опору та інтеграції їх з лабораторіями-на-чипі та іншими засобами нанофлюїдики, квантової фармакології, що допоможе ефективніше здій- снювати діагностичні й терапевтичні медичні заходи [42]. Рис. 3. Конструкція апарата з GMR-сенсором (кон- фігурація спінового клапана); пояснення див. у тексті [40] ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 7 51 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 1. Бараш Л. Спинтроника — электроника следующего поколения. — http://ko.com.ua/spintronika_-_jelektroni- ka_sleduyushhego_pokoleniya_11278. 2. Awschalom D.D., Flatté M.E., Samarth N. Spintronics // Sci. Am. — 2002. — V. 286, N 6. — P. 66—73. 3. Djamal M., Ramli S., Yulkifli A. et al. Biosensor based on giant magnetoresistance material // Int. J. E-Health Med. Comm. — 2010. — V. 1, N 3. — P. 1—16. 4. McCray W.P. From lab to iPod: A story of discovery and commercialization in the post-cold war era // Tech. Cult. — 2009. — V. 50. — P. 58—81. 5. Day C. Discoverers of giant magnetoresistance win this year’s physics Nobel // Phys. Today. — 2007. — V. 60, N 12. — P. 12—14. 6. Shinjo T. Artificial multilayers and nanomagnetic materials // Proc. Jpn. Acad. Ser. B. Phys. Biol. Sci. — 2013. — V. 89, N 2. — P. 80—96. 7. Ornes S. Giant magnetoresistance // Proc. Nat. Acad. Sci. — 2013. — V. 110, N 10. — P. 3710. 8. The discovery of giant magnetoresistance scientific background on the Nobel Prize in physics, 2007 / The Royal Swedish Academy of Sciences, 2007. — 17 p. 9. Дехтярук Л.В. Гигантский магниторезистивный эффект в магнитоупорядоченных трехслойных пленках // Вісн. СумДУ. Сер. Фізика, математика, механіка. — 2007. — № 2. — С. 120—126. 10. Покладок Н.Т., Григорчак І.І., Попович Д.І. та ін. Гігантський магнеторезистивний ефект у напівпровідниках з магнетоактивними нанопрошарками // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. — 2008. — Т. 6, № 1. — С. 9—16. 11. Проценко І.Ю., Яворский Я., Чешко І.В. Явище гігантського магнітного опору в багатошарових плівкових системах // Вісн. СумДУ. Сер. Фізика, математика, механіка. — 2004. — № 10. — С. 65—81. 12. Reig C., Cubells-Beltran M.D., Muñoz D.R. Magnetic field sensors based on giant magnetoresistance (GMR) technol- ogy: applications in electrical current sensing // Sensors (Basel). — 2009. — V. 9, N 10. — P. 7919—7942. 13. Ranchal R., Torija M., Lopez E. et al. The influence of anisotropy on the magnetoresistance of permalloy—copper— permalloy thin films // Nanotechnology. — 2002. — V. 13, N 3. — P. 392—397. 14. Dalichaouch Y., Singsaas A.L., Putris F. et al. Low-frequency electromagnetic technique for nondestructive evalua- tion // Proc. SPIE. — 2000. — V. 3994. — P. 2—9. 15. Dieny B., Speriosu V.S., Metin S. et al. Magnetotransport properties of magnetically soft spin-valve structures // J. Appl. Phys. — 1991. — V. 69. — P. 4774—4779. 16. Jander A., Smith C., Schneider R. Magnetoresistive sensors for nondestructive evaluation // Proc. SPIE. — 2005. — V. 5770. — P. 1—13. 17. Veloso A., Freitas P.P., Wei P. et al. Magnetoresistance enhancement in specular, bottom-pinned, Mn83Ir17 spin valves with nano-oxide layers // Appl. Phys. Lett. — 2000. — V. 77. — P. 1020—1022. 18. Ferreira R., Wisniowski P., Freitas P.P. et al. Tuning of MgO barrier magnetic tunnel junction bias current for picotesla magnetic field detection // J. Appl. Phys. — 2006. — V. 99. — P. 08K706(1—3). 19. Parkin S.S.P., Fontana R.E., Marley A.C. Low-field magnetoresistance in magnetic tunnel junctions prepared by con- tact masks and lithography: 25 % magnetoresistance at 295 K in mega-ohm micron-sized junctions // J. Appl. Phys. — 1997. — V. 81. — P. 5521. 20. Ziese M., Thornton M.J. Spin Electronics: Lecture Notes in Physics. — Berlin: Springer, 2001. — 493 p. 21. Berkowitz A.E., Mitchell J.R., Carey M.J. et al. Giant magnetoresistance in heterogeneous Cu-Co alloys // Phys. Rev. Lett. — 1992. — V. 68, N 25. — P. 3745—3748. 22. Сімонов П.В., Цехмістер Я.В., Чекман І.С. та ін. Нанобіологія, біоміметика та природні наноструктури: фі зи ко- хімічний та біологічний аспекти // Укр. наук.-мед. молодіж. журн. — 2012. — № 2. — С. 25—29. 23. Чекман І.С., Сімонов П.В. Природні наноструктури та наномеханізми. — К.: Задруга, 2012. — 104 с. 24. Baselt D.R., Lee G.U., Natesan M. et al. A biosensor based on magnetoresistance technology // Biosens. Bioelec- tron. — 1998. — V. 13, N 7—8. — P. 731—739. 25. Chekman I.S., Simonov P.V. Structure and function of biological membranes: the impact of nanoparticles // Int. J. Phys. Pathophys. — 2012. — V. 3, N 2. — P. 187—208. 26. Childress J.R., Fontana R.E. Jr. Magnetic recording read head sensor technology // Compt. Rendus Phys. — 2005. — V. 6. — P. 997—1012. 27. Pelegrí J., Ramírez D., Sanchis E. et al. Giant magnetoresistive sensor in conductance control of switching regula- tors // IEEE Trans. Magn. — 2000. — V. 36. — P. 3578—3580. 52 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 7 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ 28. Thessler S., Kooistra L., Teye F. et al. Geosensors to support crop production: current applications and user require- ments // Sensors (Basel). — 2011. — V. 11, N 7. — P. 6656—6684. 29. Hall D.A., Gaster R.S., Lin T. et al. GMR biosensor arrays: a system perspective // Biosens. Bioelectron. — 2010. — V. 25, N 9. — P. 2051—2057. 30. Mujika M., Arana S., Castaño E. et al. Magnetoresistive immunosensor for the detection of Escherichia coli O157:H7 including a microfluidic network // Biosens. Bioelectron. — 2009. — V. 24, N 5. — P. 1253—1258. 31. Wang S.X., Li G. Advances in giant magnetoresistance biosensors with magnetic nanoparticle tags: Review and out- look // IEEE Trans. Magn. — 2008. — V. 44. — P. 1687—1702. 32. Xu L., Yu H., Han S.J. et al. Giant Magnetoresistive Sensors for DNA Microarray // IEEE Trans. Magn. — 2008. — V. 44, N 11. — P. 3989—3991. 33. Li G., Sun S., Wilson R.J. et al. Spin valve sensors for ultrasensitive detection of superparamagnetic nanoparticles for biological applications // Sens. Actuators A. Phys. — 2006. — V. 126, N 1. — P. 98—106. 34. Schotter J., Kamp P.B., Becker A. et al. Comparison of a prototype magnetoresistive biosensor to standard fluorescent DNA detection // Biosens. Bioelectron. — 2004. — V. 19, N 10. — P. 1149—1156. 35. Chemla Y.R., Grossman H.L., Poon Y. et al. Ultrasensitive magnetic biosensor for homogeneous immunoassay // PNAS. — 2000. — V. 97, N 26. — P. 14268—14272. 36. Enpuku K., Minotani T., Gima T. et al. Detection of magnetic nanoparticles with superconducting quantum interfer- ence device (SQUID) magnetometer and application to immunoassays // J. Appl. Phys. P. 2 (Lett.). — 1999. — V. 38. — P. L1102—L1105. 37. Pankhurst Q.A., Connolly J., Jones S.K. et al. Applications of magnetic nanoparticles in biomedicine // J. Phys. D. Appl. Phys. — 2003. — V. 36. — P. R167—R181. 38. Sun S., Murray C.B., Weller D. et al. Monodisperse FePt nanoparticles and ferromagnetic FePt nanocrystal superlat- tices // Science. — 2000. — V. 287, N 5460. — P. 1989—1992. 39. Sun S., Zeng H., Robinson D.B. et al. Monodisperse MFe2O4 (M = Fe, Co, Mn) nanoparticles // J. Am. Chem. Soc. — 2004. — V. 126, N 1. — P. 273—279. 40. Yamada S. High-spatial-resolution magnetic-field measurement by giant magnetoresistance sensor — applications to nondestructive evaluation and biomedical engineering // Int. J. Smart Sens. Intel. Sys. — 2008. — V. 1, N 1. — P. 160—175. 41. Reiss G., Hütten A. Magnetic nanoparticles: applications beyond data storage // Nat. Mater. — 2005. — V. 4, N 10. — P. 725—726. 42. Чекман І.С. Квантова фармакологія. — К.: Наук. думка, 2012. — 181 с. Стаття надійшла 22.01.2014. И.С. Чекман, П.В. Симонов Национальный медицинский университет им. А.А. Богомольца просп. Победы, 34, Киев, 03057, Украина ГИГАНТСКОЕ МАГНЕТОСОПРОТИВЛЕНИЕ: ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ, ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ, ПРИМЕНЕНИЕ В БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ В статье освещены основные этапы истории открытия явления гигантского магнетосопротивления (GMR) и раз- вития нового научного и технологического направления — спинтроники. Кратко охарактеризованы конфигура- ции GMR-систем, среди которых особенно перспективными являются спиновые клапаны, системы магнитного туннельного перехода. Данные конструкции нашли применение, в частности, в медицине. Так, спиновые клапаны внедряются в клиническую практику в виде сенсоров для диагностики и лечения заболеваний, а также отслежи- вания наночастиц в организме человека. В будущем спинтроника будет развиваться по направлению оптимиза- ции систем на основе эффекта туннельного магнетосопротивления и интеграции последних с лабораториями-на- чипе и другими средствами нанофлюидики, что обеспечит более эффективное осуществление диагностических и терапевтических медицинских процедур. Ключевые слова: гигантское магнетосопротивление, спинтроника, Нобелевская премия, спиновый клапан, тун- нельное магнетосопротивление, лаборатория-на-чипе. ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 7 53 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ I.S. Chekman, P.V. Simonov Bogomolets National Medical University 34 Peremohy Ave., Kyiv, 03057, Ukraine GIANT MAGNETORESISTANCE: THE CHARACTER OF PHENOMENON, THE HISTORY OF DISCOVERY, AN IMPLEMENTATION IN BIOLOGY AND MEDICINE The major milestones of the history of discovery of the giant magnetoresistance (GMR) phenomenon and development of new scientific and technological field of spintronics are highlighted in the article. GMR systems’ configurations, among which especially promising spin valves and magnetic tunnel junction systems, are briefly characterized. These devices find their use, particularly, in medicine. For instance, spin valves are introduced in medical practice as sensors for dis- eases’ diagnosis and treatment and as devices which track nanoparticles in an organism. Spintronics will develop in direc- tion of an optimization of tunnel magnetoresistance systems and an integration of those into lab-on-a-chip technologies and other nanofluidics devices. That will improve an efficacy of diagnostic and therapeutic procedures’ performance. Keywords: giant magnetoresistance, spintronics, Nobel Prize, spin valve, tunnel magnetoresistance, lab-on-a-chip.

Гігантський магнетоопір: природа явища, історія відкриття, застосування в біології та медицині

Репозитарії

Схожі ресурси