Gigantyczny magnetoopór

Ten artykuł od 2018-03 wymaga zweryfikowania podanych informacji. Należy podać wiarygodne źródła w formie przypisów bibliograficznych. Część lub nawet wszystkie informacje w artykule mogą być nieprawdziwe. Jako pozbawione źródeł mogą zostać zakwestionowane i usunięte. Sprawdź w źródłach: Encyklopedia PWN • Google Books • Google Scholar • Federacja Bibliotek Cyfrowych • BazHum • BazTech • RCIN • Internet Archive (texts / inlibrary) Dokładniejsze informacje o tym, co należy poprawić, być może znajdują się w dyskusji tego artykułu. Po wyeliminowaniu niedoskonałości należy usunąć szablon {{Dopracować}} z tego artykułu.

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).

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

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:

${\displaystyle R(\varphi )=R_{0}+\Delta R(1-cos(\varphi ))}$

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