Гигантское магнитное сопротивление (гмс)
В 1988г. П. Грюнберг и А. Фертом открыли эффект, названный гигантским магнитным сопротивлением (ГМС). За это открытие им в 2007 году им присудили Нобелевскую премию. Они предложили структуру, содержащую два слоя ферромагнитного материала (кобальт или железо), разделенных слоем немагнитного металла. Направление намагниченности одного ферромагнитного слоя поддерживается неизменным, а второго изменяется под действием внешнего магнитного поля (которое считывается). Когда направления намагниченности ферромагнитных слоев совпадают, ток в немагнитной пленке максимален, а когда они противоположны – минимален.
Эффект ГМС основан на сложном квантовом взаимодействии электронов проводимости, движущихся через кристаллическую решетку материала в магнитном поле. Его суть можно понять, рассматривая упрощенную модель (рис. 42).
Рис. 42. Схема движения электронов в структуре с ГМС
Структура содержит два слоя железа, разделенные слоем немагнитного хрома. Слои имеют нанометровую толщину. Поток электронов движется через структуру в поперечном направлении (слева направо). Известно, что электрическое сопротивление возникает в основном из-за рассеивания носителей заряда на атомах кристаллической решетки. Движение электронов в магнитных материалах имеет свои особенности. Электроны со спином, ориентированном вдоль направления намагниченности, рассеиваются слабее, чем электроны, имеющие другую ориентацию спинов. При прохождении левого слоя, имеющего значительную постоянную намагниченность, основная часть электронов поляризуется, т.е. их спины ориентируются в соответствии с направлением магнитного слоя. Далее они попадают в слой хрома, где внешнее поле практически отсутствует, и за счет температурных колебаний должна происходить деполяризация спинов. Чтобы этого не случилось, время прохождения электронов в центральном слое должно быть настолько малым, чтобы спин электронов за счет их энерции не успевал изменить свое положение. Поэтому, центральная пленка должна быть нанометровой толщины. Условия дальнейшего движения электронов зависят от магнитного состояния правого слоя (рис. 42). Если его намагниченность направлена, согласно с поляризацией спинов электронов, их движение будет происходить с малым рассеиванием и сопротивлением. Если намагниченность правой пленки отсутствует (или даже противоположна поляризации электронов) сопротивление потоку электронов будет большим. Намагниченность правой пленки определяется тем, в каком магнитном состоянии в данный момент находится информационное пятно на поверхности дорожки НЖМД, которое должно предельно близко (с магнитным зазором) пробегать мимо описанной структуры, расположенной на считывающей головке накопителя. Изменение сопротивления в структуре, несмотря на громкий эпитет (гигантское), не превышает 10%, что вполне достаточно для нормальной работы считывающего устройства.
Таким образом, сопротивление (и ток) через структуру определяется информацией, записанной в магнитной форме на поверхности НЖМД.
Устройства, использующие ГМС, являются одним из примеров массового применения современных технологий. Во-первых, в таких структурах успешно используются спиновые свойства электронов (спинтроника). Известные структуры спиновых транзисторов способны работать только при криогенных температурах в связи с необходимостью сохранения неизменной поляризации спинов. Головки считывания, использующие ГМС, имеют удовлетворительные параметры при нормальной температуре. Во-вторых, эффект можно применять только при наноразмерной толщине центрального слоя (нанотехнология), иначе, за счет тепловых флюктуаций, электроны потеряют согласованную ориентацию спинов, и эффект исчезнет.
Некоторые цифры по ГМС:
МС = 10%, плотность записи 125 Гбит/дюйм2,
сигнал/шум = 29; постоянная времени 0,1 нс,
минимальные магнитное поле 0,005 Тесла.
Исследования МС различных структур продолжались и продолжаются в направлении увеличения собственно МС, повышении быстродействия, снижении уровня шума и пр. Так, М. Жульер исследовал структуры, внешне похожие на рассмотренные, в которых центральная пленка заменена слоем диэлектрика настолько тонкого, что через него могут туннелировать электроны (так называемый туннельный магниторезистивный эффект). Для таких структур МС примерно вдвое больше, меньше уровень шума и необходимое магнитное поле. По рекламным сообщениям основанная на этом эффекте энергонезависимая магнитная память с произвольным доступом (MRAM) уже появилась на рынке.
Есть сообщения об еще более многообещающем ЭМС – экстраординарном магнитном сопротивлении (открыто в 1998г., автор С. Солин и др). Главное отличие – отсутствие магнитных слоев, отсюда ряд достоинств.
Принцип работы прост до примитивности.
Берется тонкий слой полупроводника, например, InSb (желательно с высокой подвижностью носителей) в форме полоски с контактами на краях. В пленку внедряют металлические диски, например, золота малых размеров. Проводимость золота примерно в 2000 раз выше, чем у полупроводника. Поэтому при подаче напряжения металлический диск искажает поле и форму силовых линий тока таким образом, что ток концентрируется в дисках, где его плотность выше (рис.43). Сопротивление системы достаточно мало за счет дисков, которые «шунтируют» полупроводник.
дд
Рис. 43. Распределение тока в пленке с проводящими дисками
При воздействии поперечного магнитного поля картина меняется (рис. 44). Носители заряда (электроны и дырки) вытесняются на края полоски и ток протекает, минуя проводящие диски. Сопротивление резко возрастает, ток падает. Реальные размеры дисков порядка сотен нанометров.
I
В
I
Рис. 44. Распределение носителей заряда и тока в пленке с проводящими дисками при наличии магнитного поля
Ожидаемые цифры:
МС>35% (при 300К); плотность записи >300 Гбит/дюйм2,
сигнал/шум 43; постоянная времени < 0,001 нс;
минимальное поле 0,05 Т.
Достоинства: быстродействие повышается примерно в 100 раз, совместимость с микроэлектронной интегральной технологией.
Недостатки: структуры не работают при повышенных температурах (выше комнатной), нелинейность динамических характеристик (сигнал пропорционален квадрату магнитного поля); коммерческого товара пока нет.
Есть и еще более эффективные, но пока не подтвержденные идеи, например баллистическое МС (БМС) - 1999г. Плотность записи > 1000 Гбит/дюйм2.