Gigantyczny magnetoopór
Z Wikipedii
Gigantyczny magnetoopór – zjawisko kwantowomechaniczne polegające na powstawaniu gigantycznego magnetooporu na cienkich warstwach wielokrotnych F/(NF/F)xN (N- liczba powtórzeń dwuwarstwy, F- ferromagnetyk, NF-diamagnetyk) odkryte przez grupę badawczą Baibicha w 1988 r. Wraz z odkryciem tego zjawiska rozpoczęła się era elektroniki spinowej.
Efekt GMR (ang. Giant MagnetoResistance) 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 możemy traktować rozpraszanie elektronów ze spinem ↑ i ↓ niezależnie (Rysunek 1).
Dla równoległej konfiguracji kierunków namagnesowania w warstwach ferromagnetycznych (↑↑) prawdopodobieństwo rozpraszania dla elektronów ze spinem ↑ i ↓ są różne. Elektron ze spinem ↑ jest słabo rozpraszany zarówno na pierwszej jak i drugiej warstwie, natomiast elektron ze spinem ↓ jest silnie rozpraszany na obu warstwach.
Modelowo układ ten można przedstawić jako zespół oporników połączonych równolegle, co przedstawiono na rysunku 2. Całkowity opór takiego układu jest zdeterminowany przez opór elektronu ze spinem ↑, czyli jest mały. Dla konfiguracji antyrównoległej (↑↓) prawdopodobieństwo rozpraszania elektronów dla obu spinów jest równe. Elektron ze spinem ↓ jest silnie rozpraszany na pierwszej warstwie i słabo 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 wywołamy zmianę względnych kierunków namagnesowania przechodząc od konfiguracji ↑↓ do konfiguracji ↑↑ do zaobserwujemy efekt zmniejszenia oporu, czyli GMR.
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 wg 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.
Zjawisko jest wykorzystywane w głowicach odczytu twardych dysków i magnetycznych pamięciach MRAM. Pierwszy raz zostało zastosowane w urządzeniu komercyjnym przez IBM w 1997 roku.
