Явления переноса в низкоразмерных магнитных структурах.

Предисловие

В учебном пособии «Явления переноса в низкоразмерных магнитных структурах» рассмотрен ряд вопросов, касающихся теоретических методов описания явлений переноса в многослойных гетероструктурах, а также обсуждается ряд приложений этих явлений в сравнительно новой области физики твердого тела – спинтронике. Во вводной ознакомительной части дано описание квантово-статистического подхода к расчету электрической проводимости металлических систем, размеры которых велики по сравнению с длиной свободного пробега электронов. Этот подход основывается на формализме Кубо и методе функций Грина. В этой части приведен подробный вывод формулы Кубо из уравнения Лиувилля для неравновесного статистического оператора, а также введено понятие резольвенты и связанной с ней функции Грина, которые возникают при решении этого уравнения.

Далее обоснована необходимость модификации общеизвестной формулы Кубо для применения ее к низкоразмерным, например, слоистым структурам с толщинами слоев порядка нанометров. В частности, объяснена необходимость использования смешанного координатно-импульсного представления, которое позволяет учесть размерные эффекты различного рода, которые являются определяющими при формировании проводимости слоистых и других низкоразмерных систем и приводят к ряду важных физических эффектов, нашедших широкое применение в современных технологиях.

Приведен обзор новых эффектов, используемых в спинтронике, таких как Гигантское Магнитосопротивление (ГМС) и Туннельное Магнитосопротивление (ТМС). На конкретных примерах продемонстрированы методы расчета этих эффектов. В начале рассмотрена так называемая спин-вентильная структура F₁/М/F₂, где F_1,F₂–ферромагнитные металлы, М - немагнитная прослойка. Взаимная ориентация намагниченностей в F слоях может меняться от параллельной к антипараллельной внешним магнитным полем порядка нескольких эрстед. Для нахождения проводимости и ГМС такой структуры выписаны уравнения для функций Грина и граничные условия к ним а также результаты вычисления проводимости и ГМС по формуле Кубо с использованием решения этих уравнений. Эти результаты получены и проанализированы для двух геометрий – ток параллелен плоскости слоев и ток перпендикулярен плоскости слоев. Отмечены перспективы и ограничения в промышленном применении таких структур. Далее внимание акцентировано на методах расчета вольт-амперных характеристик таких структур, которые также важны для практических приложений рассматриваемых эффектов. Наиболее адекватным методом описания токовых состояний является метод неравновесных функций Грина, сформулированный Келдышем. Поэтому далее дано краткое описание этого метода. В качестве примера применения этого метода приведен расчет ТМС в наноструктуре F₁/О/F₂, где F_1,F₂–ферромагнитные металлы. О – окисел металла. Поскольку метод Келдыша первоначально был сформулирован для металлических систем, а рассматриваемая нами структура содержит туннельный контакт, то описан соответствующий модифицированный вариант этой техники. Далее выписаны и решены уравнения для неравновесной функции Грина, приведена формула для тока, на основании которой вычислены проводимости различных спиновых каналов и ТМС, а также приведены результаты численных расчетов вольт-амперной характеристики при некоторых типичных значений параметров.

В заключение приведен краткий обзор основных достижений и трудностей в современном состояний теории и приложений затронутых в пособии явлений.