Магнитосопротивление

Рождением магнитной электроники можно считать открытие магнитосопротивления в 1857 г. Тогда было обнаружено, что электросопротивление материалов изменяется под действием магнитного поля.

В немагнитных проводниках, таких как медь или золото, этот эффект очень мал. В ферромагнитных материалах величина магнитосопротивления достигает 4%. В ферромагнетике в отсутствие внешнего магнитного поля образуются магнитные домены, внутри которых магнитные моменты параллельны. При включении магнитного поля, величина которого для каждого материала индивидуальна, эти микроскопические магнитные домены исчезают, и весь образец превращается в единый домен, то есть намагничивается. Электросопротивление ферромагнетика до и после намагничивания различно, что и отображено на рисунке 4.

Рисунок 4

У дельное электросопротивление магнитных материалов зависит от угла между магнитным полем и током. Это явление назвали анизотропным магнитосопротивлением. Несмотря на небольшую величину этого эффекта он широко используется в приборах для измерения магнитных, электрических, механических и других физических величин, системах автоматизации и сигнализации, в средствах хранения информации. Однако сегодня наибольший интерес вызывают материалы с эффектом гигантского магнитосопротивления.

Металлические спин-электронные структуры

Начиная с двадцатых годов прошлого столетия было известно, что электроны, создающие ток в электрической цепи, обладают и собственным магнитным моментом, спином. Однако в практических целях это никак не использовалось. С приходом нового тысячелетия появилась новая отрасль науки - магнитоэлектроника, или, как теперь принято ее называть, - спинтроника, занятая изучением и практическими приложениями спина электрона.

В наше время спинтроника изучает магнитные и магнитооптические взаимодействия в металлических и полупроводниковых структурах, а также квантовые магнитные явления в структурах нанометрового размера. А началось славное шествие спинтроники с исследования магнитных и электрических свойств многослойных пленок, состоящих из чередующихся магнитных и немагнитных материалов.

З начительные успехи в получении и исследовании тонких металлических пленок, достигнутые в конце XX века, привели к открытию целого ряда новых явлений, которые интересны как для фундаментальной физики, так и для практического применения. Совершенствование технологий позволило синтезировать новые магнитные материалы с уникальной структурой и составом, а возможность получения ультратонких слоев магнитных и немагнитных материалов с резкими границами раздела - обеспечить их кардинально новые магнитные и электрические свойства. В таких материалах возникает ряд уникальных физических явлений, обусловленных тем, что магнитные моменты в трехслойной пленке могут быть параллельны (ферромагнитная [ФМ] конфигурация) или антипараллельны (антиферромагнитная [АФМ] конфигурация), что показано на рисунке 5.

Рисунок 5

В ферромагнитных материалах выделяют два типа электронов в зависимости от ориентации их спина: "спин-вверх" и "спин-вниз". На рисунке направление спина обозначено синими и красными стрелками. Оказалось, что если ориентация спина не совпадает с магнитным моментом слоя (АФМ-конфигурация), то электрон не может попасть в этот слой, и электросопротивление становится больше. После перехода конфигурации из антиферромагнитной в ферромагнитную при возрастании внешнего магнитного поля электрон способен перескочить в смежный слой, и сопротивление значительно уменьшается. Этот эффект и называется гигантским магнитосопротивлением (ГМС).

Наиболее важные с практической точки зрения результаты были достигнуты при исследовании спинового транспорта в металлических мультислойных структурах. Эффект гигантского магнитосопротивления обусловлен зависимостью рассеивания электронов от типа магнитного упорядочения смежных слоев в пленке. Аналогичный спин-зависимый эффект наблюдается в структурах с магнитным туннельным переходом (Magnetic Tunnel Junction, MTJ) типа ферромагнетик - диэлектрик - ферромагнетик (подробнее о них чуть ниже, вернее – попозже!). Он также может приводить к большому туннельному магнитосопротивлению, ТМС (Tunnel Magnetoresistance, TMR). Наноразмерные магнитные структуры с эффектами ГМС и ТМС нашли широчайшее применение в сенсорах магнитного поля, считывающих головках жестких дисков и энергонезависимой магниторезистивной памяти (Magnetic Random Access Memory, MRAM).