Гігантський магнетоопір - це
Гігантський магнетоопір,гігантський магнітоопір[1] ,ГМС(англ.Giant magnetoresistance,GMR) — квантовомеханічний ефект, що спостерігається в тонких металевих плівках, що складаються з феромагнітних, що чергуються, і проводять немагнітних шарів. Ефект полягає у суттєвій зміні електричного опору такої структури при зміні взаємного напрямку намагніченості сусідніх магнітних шарів. Направленням намагніченості можна керувати, наприклад, додатком зовнішнього магнітного поля. В основі ефекту лежить розсіювання електронів, що залежить від напрямку спина. За відкриття гігантського магнетоопору в 1988 році фізики Альбер Ферт (Університет Париж-юг XI) та Петер Грюнберг (Дослідний центр Юліх) були удостоєні Нобелівської премії з фізики у 2007 році.
Основна сфера застосування ефекту — датчики магнітного поля, що використовуються для зчитування інформації в жорстких дисках, біосенсорах, пристроях МЕМС та ін. Багатошарові структури, що мають гігантський магнетоопір, застосовувалися в магніторезистивній оперативній пам'яті як осередки, що зберігають один біт інформації.
У літературі термінгігантський магнетоопіріноді плутається зколосальним магнетоопіром (КМС)феро- і антиферомагнітних напівпровідників [2] [3] , не пов'язаним з багатошаровою структурою.
Зміст
Математичне формулювання
Магнетоопір називають залежність електричного опору зразка від величини зовнішнього магнітного поля. Чисельно його характеризують величиною
де - опір зразка без магнітного поля, а - його опір в магнітному полі з напруженістю [4] [5] . На практиці такожзастосовуються альтернативні форми запису, що відрізняються знаком виразу і використовують питомий електричний опір [1] [2] . Іноді використовують відношення зміни опору до його значення в нульовому полі [6] .
Термін «гігантський магнетоопір» вказує на те, що величина для багатошарових структур значно перевершує анізотропний магнітний опір, як правило, що становить не більше кількох відсотків [7] [8] .
Історія відкриття
Ефект ГМС був експериментально відкритий у 1988 році двома науковими колективами незалежно один від одного: лабораторіями Альбера Ферта та Петера Грюнберга. Практична значимість цього відкриття була відзначена присудженням Ферту та Грюнбергу Нобелівської премії з фізики у 2007 році [9] .
Передісторія
Перші математичні моделі, що описують вплив намагніченості матеріалів на рухливість носіїв струму в них завдяки спині, з'явилися ще в 1936 році. Експериментальні факти, що свідчать про потенційну можливість посилення ефекту залежності опору від магнітного поля (тобто збільшення), були відомі з 1960-х. До кінця 1980-х фізиками було добре вивчено анізотропний магнітний опір [10] [11] , але величина для цього ефекту не перевищувала кількох відсотків [7] . Практичне дослідження методів збільшення стало можливим з появою методів на кшталт молекулярно-променевої епітаксії, що дозволяють виготовляти тонкі багатошарові плівки завтовшки одиниці нанометрів [12] .
Експеримент та його пояснення
Ферт і Грюнберг вивчали ефекти, пов'язані з електричним опором структур, що включають феромагнітні і неферомагнітні матеріали. Зокрема, Ферт займався провідністю багатошарових плівок, а Грюнбергв 1986 відкрив обмінну взаємодію антиферомагнітного характеру в плівках Fe/Cr [12] .
У роботі, в якій було заявлено про відкриття ефекту, досліджувався магнетоопір (001) Fe/(001) Cr надрешіток. У цьому експерименті на об'ємноцентровані кубічні грати (001) GaAs у високому вакуумі наносилися шари заліза і хрому при температурі підкладки близько 20 ° C [13] .
При товщині шарів заліза в 3 нм і варіюванні товщини немагнітного прошарку з хрому між ними від 0,9 до 3 нм збільшення товщини прошарків хрому в надрешітці послаблювало антиферомагнітний зв'язок між шарами заліза та поле розмагнічування. Останнє також зменшувалося зі збільшенням температури від 4,2 До кімнатної. Зміна товщини немагнітних прошарків призводила до істотного зменшення залишкової намагніченості в петлі гістерези. Була показана сильна залежність опору зразка (зміна до 50%) від величини зовнішнього магнітного поля при температурі 4,2 К. У статті Ферта 1988 новий ефект був названий гігантським магнетоопіром, щоб підкреслити його значну величину в порівнянні з анізотропним магнето3 14].
Основні положення
Спін-залежне розсіювання
Електричний опір зразка залежить від багатьох факторів, серед яких у магнітоупорядкованих матеріалах істотну роль грає розсіювання електронів на магнітній підрешітці кристала, тобто сукупності кристалографічно еквівалентних атомів з ненульовим атомним магнітним моментом, що утворюють власну кристалічну решітку. Розсіювання залежить від орієнтації спини електрона по відношенню до магнітних моментів атомів. Зазвичай передбачається, що електрони провідності мінімально взаємодіють з атомами, чий магнітний момент маєпаралельне їх спину напрям і максимально, якщо вони антипаралельні. Взаємодія також буде сильною в парамагнітному стані, в якому магнітні моменти атомів спрямовані хаотично, без виділеного напрямку намагніченості [1] [7] [20] .
Для таких добрих провідників як золото або мідь, рівень Фермі знаходиться всередині гібридизованої sp зони, а d зона повністю заповнена. У феромагнетиках спостерігається інша ситуація. Вони залежність взаємодії електронів з атомами від напрямку їх спинів пов'язані з заповненістю зони, що відповідає магнітні властивості (3d для таких феромагнітних металів як залізо, нікель чи кобальт). d зона феромагнетиків є розщепленою, оскільки вона містить різну кількість електронів зі спинами, спрямованими «вгору» і «вниз». Це є причиною відмінності у щільності електронних станів на рівні Фермі для спинів, спрямованих у протилежні сторони. Тут говорять про неосновний напрямок спинів електронів (англ.minority-spin electrons) для тієї частини d зони, яка заповнена менше (наприклад, де спини спрямовані вниз), і здебільшого для другої її частини (англ.>majority-spin electrons), яка виявляється заповненою повністю (спини спрямовані вгору). Рівень Фермі для основного напрямку спина знаходиться всередині sp зони та їх рух у феромагнетиці подібно до руху електронів у немагнітному металі. Для неосновного напрями спинів електронів sp і d зони виявляються гібридизованими, а рівень Фермі лежить усередині d зони. Гібридизована spd зона феромагнетиків характеризується високою щільністю станів, що проявляється як зменшення довжини вільного пробігу електронів з неосновним напрямком спини порівняно з основним. У нікелі, легованому кобальтом, відношення (дляелектронів із протилежними напрямками (спина) може збільшуватися до 20 або знижуватися до 0,3 при легуванні хромом [21] .
Відповідно до теорії Друде, провідність пропорційна довжині вільного пробігу [22] і знання дозволяє оцінити співвідношення провідностей цих двох груп носіїв струму. Типове значення довжини вільного пробігу електронів у тонких металевих плівках лежить в інтервалі від кількох одиниць до кількох десятків нанометрів. Електрон «пам'ятає» напрямок спина на так званій довжині спинової релаксації (що ще називається довжиною спинової дифузії), яка може значно перевищувати довжину вільного пробігу. Вона визначає ефективність спін-поляризованого транспорту електронів. Коли спостерігається залежність електричного опору від напрямку спина носія струму, говорять про спин-залежне поширення електронів. Спін-залежне розсіювання у феромагнетиках відбувається при переходах електронів провідності між нерозщепленою 4s і розщепленою 3d зонами [1] [7] .
Існують матеріали, для яких слабшою є взаємодія між електронами та атомами, чиї спини та магнітні моменти антипаралельні. Комбінацією обох типів матеріалів можна отримати так званийінверсний ефект ГМС[7] [23] . Тому у випадках, коли конкретний механізм взаємодії не є важливим, для збереження спільності підходу говорять про провідність для електронів з основним і неосновним напрямками спина, яким відповідають більша і менша щільність електронних станів. Визначення співвідношення між провідностями або питомими опорами цих двох груп електронів є достатнім для побудови феноменологічної теорії [24] [25] .