Gigantyczny magnetoopór

Gigantyczny magnetoopór (gigantyczna magnetorezystancja, GMR z ang. Giant MagnetoResistance) – zjawisko kwantowomechaniczne polegające na powstawaniu bardzo dużego (olbrzymiego) magnetooporu na cienkich warstwach wielokrotnych (F/NF/F)xN (N-liczba powtórzeń dwuwarstwy, F-ferromagnetyk, NF-diamagnetyk)[potrzebny przypis], odkryte w 1988 r. Wraz z odkryciem tego zjawiska rozpoczęła się era elektroniki spinowej (spintroniki).

Rysunek 1: Rozszczepienie gęstość stanów elektronowych D na poziomie energii Fermiego występujące w niektórych metalach np. Fe, Co, Ni
Rysunek 2: Schemat rozpraszania elektronów w zależności od spinu a) dla konfiguracji równoległej b) dla konfiguracji antyrównoległej wraz z układami zastępczych oporów.

Zjawisko to jest wykorzystywane w głowicach odczytu twardych dysków i magnetycznych pamięciach MRAM. Pierwszy raz zostało zastosowane w urządzeniu komercyjnym przez IBM w 1997 roku.

Za niezależne odkrycie efektu GMR[1][2] Francuz Albert Fert i Niemiec Peter Grünberg otrzymali w 2007 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Opis efektu

edytuj
 
Rysunek 3: Magnetoopór trzech warstw wielokrotnych typu Fe/Cr zmierzony w temperaturze 4,2 K.

Efekt GMR jest związany z różnym prawdopodobieństwem rozproszenia elektronów ze spinem ↑ i tych ze spinem ↓, co związane jest z różną gęstością stanów elektronowych D na poziomie energii Fermiego, czyli poziomu, w pobliżu którego znajdują się stany kwantowe, do których mogą zgodnie z zakazem Pauliego zostać rozproszone elektrony.

Gęstość stanów ze spinem ↑ na poziomie Fermiego jest z reguły mniejsza, niż dla elektronów ze spinem antyrównoległym, tzn. D↑(EF)<D↓(EF), a stąd i opór jest mniejszy ρ↑<ρ↓. Pomijając rozpraszanie elektronów ze zmianą spinów, rozpraszanie elektronów ze spinem ↑ i ↓ można traktować niezależnie.

Dla równoległej konfiguracji kierunków namagnesowania w warstwach ferromagnetycznych () prawdopodobieństwo rozpraszania dla elektronów ze spinem ↑ i ↓ są różne. Elektron ze spinem ↑ jest silnie rozpraszany zarówno na pierwszej, jak i drugiej warstwie, natomiast elektron ze spinem ↓ jest słabo rozpraszany na obu warstwach[3].

Modelowo układ ten można przedstawić jako zespół oporników połączonych równolegle, co przedstawiono na rysunku 2. Całkowity opór takiego układu jest zdeterminowany tylko przez opór elektronu ze spinem ↑, czyli jest mały. Dla konfiguracji antyrównoległej () prawdopodobieństwo rozpraszania elektronów dla obu spinów jest równe. Elektron ze spinem ↓ jest słabo rozpraszany na pierwszej warstwie i silnie rozpraszany na drugiej, natomiast elektron ze spinem ↑ jest rozpraszany odwrotnie. Każdy kanał może być reprezentowany przez jeden mały i jeden duży opornik. W rezultacie całkowity opór dla konfiguracji antyrównoległej jest większy niż dla konfiguracji równoległej. Reasumując, jeśli zewnętrznym polem magnetycznym wywołana zostanie zmiana względnych kierunków namagnesowania, przechodząc od konfiguracji do konfiguracji , to wystąpi efekt zmniejszenia oporu, czyli zjawisko GMR[3].

Warunkiem koniecznym na wystąpienie zjawiska GMR w układzie warstwowym typu F/NF/F jest zmiana pod wpływem pola magnetycznego kąta φ między kierunkami namagnesowania subwarstw ferromagnetycznych, co powoduje zmianę oporu układu według poniższego wzoru:

 
gdzie:
R0 – wartość oporu dla φ=0°
ΔR – zmiana oporu dla φ=180°.

Następnym warunkiem jest to, aby elektron oddziaływał z oboma warstwami ferromagnetycznymi, dlatego grubość subwarstw musi być mniejsza niż średnia droga swobodna elektronu (mfp).

Efekt GMR można zaobserwować nie tylko w wielowarstwach, ale także w zaworach spinowych i pseudozaworach spinowych.

Przypisy

edytuj
  1. M.N. Baibich i inni, Giant Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic Superlattices, „Physical Review Letters”, 61 (21), 1988, s. 2472–2475, DOI10.1103/PhysRevLett.61.2472 [dostęp 2023-11-14] (ang.).
  2. G. Binasch i inni, Enhanced magnetoresistance in layered magnetic structures with antiferromagnetic interlayer exchange, „Physical Review B”, 39 (7), 1989, s. 4828–4830, DOI10.1103/PhysRevB.39.4828 [dostęp 2023-11-14] (ang.).
  3. a b Claude Chappert, Albert Fert, Frédéric Nguyen Van Dau, The emergence of spin electronics in data storage, „Nature Materials”, 6 (11), 2007, s. 813–823, DOI10.1038/nmat2024 [dostęp 2023-11-14] (ang.).