8 Июля 2019

Гигантское магнетосопротивление и спинтроника

Опубликовал Н.А. Рыков

Магнетосопротивление - это изменение сопротивления проводника во внешнем магнитном поле.

В типичном металле при комнатной температуре орбитальные МС-эффекты очень малы и составляют порядка нескольких процентов.

Эффект МС имеет важное технологическое значение, особенно в связи со считывающими головками для магнитных дисков и в качестве датчиков магнитных полей.  Самым полезным материалом был сплав между железом и никелем, Fe20Ni80 (пермаллой). Общий консенсус в 1980-х годах заключался в том, что было невозможно значительно улучшить характеристики магнитных датчиков на основе МС.

В 1988 году две исследовательские группы независимо друг от друга обнаружили материалы, демонстрирующие очень большое магнетосопротивление, теперь известное как гигантское магнетосопротивление (ГМС). Необходимым условием для открытия ГМС-эффекта послужили новые возможности получения тонких слоев металлов в нанометровом масштабе.  Первоначально использовалась эпитаксия.  В настоящее время, после Стюарта Паркина, более простой и дешевый метод - распыление - стал более практичным.

Ферромагнитные металлы

3d переходные металлы - Fe, Co, Ni;  лантаниды (4f) - Gd. Происхождение магнетизма - поведение 3d / 4f электронов соответственно.  Мы сосредоточимся на 3d элементах.  В свободных атомах уровни 3d и 4s 3d-переходных элементов являются хозяевами для валентных электронов.  В металлическом состоянии эти уровни 3d и 4s расширяются в энергетические зоны.

Странствующий магнетизм

Перенос электронов со спином вниз из зоны со спином вниз в зону со спином вверх приводит к уменьшению полной энергии (усиление).  С другой стороны, такой процесс требует переноса электронов с уровней со спином вниз, ниже начальной энергии Ферми, на уровни со спином вверх, расположенные чуть выше начальной энергии Ферми.  Это увеличит общую энергию (потеря). Проводимость d-переходных элементов в основном определяется 4s электронами  (легко подвижными благодаря широким энергетическим зонам 4s). Однако s-электроны могут рассеиваться во многие d-состояния, доступные на уровне Ферми, - значительное сопротивление.

Для Cu (после Ni в Периодической таблице) все 3d-состояния расположены ниже уровня Ферми и поэтому недоступны для процессов рассеяния.  Это объясняет особенно высокую проводимость Cu.

В ферромагнетике, подобном Fe, есть 2 типа носителей, один из которых состоит из электронов со спином вверх, а другой из электронов со спином вниз. Поскольку плотность состояний на поверхности Ферми весьма различна для двух спиновых состояний, из этого следует, что существует существенная разница в сопротивлении для электронов со спином вверх и электронов со спином вниз.

Магнитные сверхрешетки

Важно, чтобы параметры решетки для разных слоев соответствовали друг другу;  также является преимуществом, если два металла, образующие сверхрешетку, имеют одинаковую кристаллическую структуру.

Это имеет место для Cr и Fe, где оба металла приспосабливают кристаллическую структуру ОЦК и имеют очень похожий интервал решетки.

Также было чрезвычайно важно, чтобы пространственное расстояние между магнитными слоями было порядка нанометров.

Чтобы продемонстрировать эффект ГМС, длина свободного пробега электронов проводимости должна значительно превышать межслоевое расстояние, чтобы электроны могли проходить через магнитные слои и улавливать эффект ГМС.

Спинтроника

Спинтроника (сокращение от «спиновая электроника») - это новая квантовая технология, использующая как собственное вращение электрона, так и связанный с ним магнитный момент, в дополнение к основному электронному заряду, в твердотельных устройствах.

Новые ингредиенты

  1. Индуцированный током крутящий момент (ИТКМ), также известный как крутящий момент при вращении. Манипулирование намагничиванием с помощью ИТКМ происходит от сохранения момента импульса, который скручивает слой, получающий момент импульса, переносимый спиновым током.  Это ключевой элемент для следующего поколения магнитных запоминающих устройств с произвольным доступом, логических архитектур в памяти и запоминающих устройств высокой плотности.  Нано-генераторы на основе спинового крутящего момента могут использоваться в качестве настраиваемых микроволновых генераторов в технологии беспроводных устройств, а также в качестве средства межмолекулярных межсоединений с малой мощностью в логических устройствах.
  2. Вторым является спин-эффект Холла (СЭХ), который возникает в результате взаимодействия релятивистской спин-орбитальной связи (СОС), которое поворачивает электроны перпендикулярно току в зависимости от спина. Несмотря на короткое время, прошедшее с момента его открытия, СЭХ стал стандартным инструментом для обнаружения спиновых токов и спиновой поляризации. Он использовался для создания одного из первых полевых транзисторов со спиновым полем, для измерения спиновых токов, генерируемых динамикой намагничивания, и даже для генерации спиновых токов, достаточно больших для создания эффектов вращающего момента.
  3. Третье подполе - спиновая калоритроника. Загоревшиеся открытием спинового эффекта Зеебека, тепловые градиенты, управляющие тепловым током, теперь используются для генерации спиновых токов. По-видимому, причиной возникновения эффекта является связь между коллективными спиновыми модами (магнонами) и решеточными возбуждениями (фононами). Спиновая зависимость теплопроводности, эффекта Зеебека и Пельтье может иметь важные энергетические приложения.
  4. Четвертый - кремниевая спинтроника. Кремний не только является центральным материалом для электроники, но также имеет очень длительные времена спин-релаксации. Это был поздний прорыв в спинтронике, главным образом потому, что его непрямая запрещенная зона и слабый спин-орбитальной связи  в течение десятилетий препятствовали инжекции и обнаружению спина. Недавние экспериментальные открытия, однако, продемонстрировали, что спин электрона в кремнии может быть надежно введен и обнаружен, а также перенесен на относительно большие расстояния, обеспечивая бесшовную интеграцию с электронными схемами, такими как соединение ядер процессоров.

Спинтроника - это новая развивающаяся область, предлагающая перспективные решения для обработки сигналов и реализации компьютерных алгоритмов.

 Спиновая деполяризация по-прежнему велика - нужно сделать много вещей, чтобы сделать когерентную спинтронику практичной.

 

Контакты института

Пн-Вс 8:00 - 19:00

undefined

Ближайшие события

Все события
Новые книги

Свежие новости

Читать все новости