Гигантское магнитосопротивление - Giant magnetoresistance

Гигантское магнитосопротивление (GMR) это квантово-механический магнитосопротивление эффект наблюдается в многослойность состоит из чередующихся ферромагнитный и немагнитные проводящие слои. 2007 год Нобелевская премия по физике был присужден Альберт Ферт и Петер Грюнберг за открытие GMR.

Эффект проявляется в значительном изменении электрическое сопротивление в зависимости от того, намагничивание смежных ферромагнитный слои расположены параллельно или антипараллельный выравнивание. Общее сопротивление относительно низкое для параллельного совмещения и относительно высокое для антипараллельного совмещения. Направлением намагничивания можно управлять, например, путем приложения внешнего магнитного поля. Эффект основан на зависимости рассеяния электронов от ориентации спина.

Основное применение GMR - датчики магнитного поля, которые используются для чтения данных в жесткие диски, биосенсоры, микроэлектромеханические системы (MEMS) и другие устройства.^[1] Многослойные структуры GMR также используются в магниторезистивная память с произвольным доступом (MRAM) как ячейки, в которых хранится один бит информации.

В литературе термин гигантское магнитосопротивление иногда путают с колоссальное магнитосопротивление ферромагнитных и антиферромагнитных полупроводников, не имеющего отношения к многослойной структуре.^[2][3]

Основополагающие результаты Альберт Ферт и Петер Грюнберг (1988): изменение сопротивления сверхрешеток Fe / Cr при 4,2 К во внешнем магнитном поле H. Ток и магнитное поле были параллельны [110] ось. Стрелка справа показывает максимальное изменение сопротивления. ЧАС_s это поле насыщения.^{[примечание 1]}

Формулировка

Магнитосопротивление - это зависимость электрическое сопротивление образца от напряженности внешнего магнитного поля. Численно он характеризуется величиной

${ displaystyle delta _ {H} = { frac {R (H) -R (0)} {R (0)}}}$

где R (H) - сопротивление образца в магнитном поле H, а R (0) соответствует H = 0.^[4] Альтернативные формы этого выражения могут использовать удельное электрическое сопротивление вместо сопротивления, другой знак для δ_ЧАС,^[5] и иногда нормируются на R (H), а не на R (0).^[6]

Термин «гигантское магнитосопротивление» указывает на то, что величина δ_ЧАС для многослойных структур значительно превышает анизотропное магнитосопротивление, которое имеет типичное значение в пределах нескольких процентов.^[7][8]

История

GMR был открыт в 1988 году независимо^[9][10] группами Альберт Ферт из Университет Париж-Юг, Франция и Петер Грюнберг из Forschungszentrum Jülich, Германия. Практическое значение этого экспериментального открытия было признано Нобелевской премией по физике, присужденной Ферту и Грюнбергу в 2007 году.^[11]

Первые шаги

Первая математическая модель, описывающая влияние намагниченности на подвижность носителей заряда в твердых телах, связанных со спином этих носителей, было сообщено в 1936 году. Экспериментальные доказательства потенциального увеличения δ_ЧАС известен с 1960-х годов. К концу 1980-х анизотропное магнитосопротивление было хорошо изучено.^[12][13] но соответствующее значение δ_ЧАС не превышала нескольких процентов.^[7] Увеличение δ_ЧАС стало возможным с появлением таких методов пробоподготовки, как молекулярно-лучевая эпитаксия, что позволяет изготавливать многослойные тонкие пленки толщиной в несколько нанометров.^[14]

Эксперимент и его интерпретация

Ферт и Грюнберг изучали электрическое сопротивление структур, состоящих из ферромагнитных и неферромагнитных материалов. В частности, Ферт работал над многослойными пленками, а Грюнберг в 1986 году открыл антиферромагнитное обменное взаимодействие в пленках Fe / Cr.^[14]

Обнаружение GMR было выполнено двумя группами на немного разных образцах. Группа Ферта использовала сверхрешетки (001) Fe / (001) Cr, в которых слои Fe и Cr были нанесены в высоком вакууме на подложку (001) GaAs, поддерживаемую при 20 ° C, а измерения магнитосопротивления проводились при низкой температуре (обычно 4,2 К).^[10] Работа Грюнберга была проведена на мультислоях Fe и Cr на (110) GaAs при комнатной температуре.^[9]

В мультислоях Fe / Cr со слоями железа толщиной 3 нм увеличение толщины немагнитных слоев Cr с 0,9 до 3 нм ослабляло антиферромагнитную связь между слоями Fe и уменьшало поле размагничивания, которое также уменьшалось, когда образец был нагревается от 4,2 К до комнатной температуры. Изменение толщины немагнитных слоев привело к значительному снижению остаточной намагниченности в петле гистерезиса. Электрическое сопротивление изменилось до 50% с внешним магнитным полем при 4,2 К. Ферт назвал новый эффект гигантским магнитосопротивлением, чтобы подчеркнуть его отличие от анизотропного магнитосопротивления.^[10][15] Эксперимент Грюнберга^[9] сделал то же открытие, но эффект был менее выраженным (3% по сравнению с 50%) из-за того, что образцы находились при комнатной температуре, а не при низкой температуре.

Первооткрыватели предположили, что в основе эффекта лежит спин-зависимое рассеяние электронов в сверхрешетке, в частности, зависимость сопротивления слоев от относительной ориентации намагниченности и электронных спинов.^[9][10] Теория ГМС для разных направлений течения была разработана в последующие годы. В 1989 г. Камли и Барнась рассчитали геометрию «тока в плоскости» (CIP), при которой ток течет вдоль слоев в классическом приближении:^[16] тогда как Леви и другие. использовал квантовый формализм.^[17] Теория GMR для тока, перпендикулярного слоям (ток, перпендикулярный плоскости или геометрия CPP), известная как теория Вале-Ферта, была представлена ​​в 1993 году.^[18] Приложения отдают предпочтение геометрии CPP^[19] поскольку он обеспечивает большее магнитосопротивление (δ_ЧАС),^[20] что приводит к большей чувствительности устройства.^[21]

Теория

Основы

Спин-зависимое рассеяние

Электронный плотность состояний (DOS) в магнитных и немагнитных металлах. 1: структура из двух ферромагнитных и одного немагнитного слоев (стрелки указывают направление намагничивания). 2: расщепление DOS для электронов с разными направлениями спина для каждого слоя (стрелки указывают направление спина). F: Уровень Ферми. Магнитный момент антипараллелен направлению полного спина на уровне Ферми.

В магнитоупорядоченных материалах решающее влияние на электрическое сопротивление оказывает рассеяние электронов на магнитной подрешетке кристалла, которая образована кристаллографически эквивалентными атомами с ненулевым магнитным моментом. Рассеяние зависит от относительной ориентации электронных спинов и этих магнитных моментов: самое слабое, когда они параллельны, и самое сильное, когда они антипараллельны; он относительно силен в парамагнитном состоянии, в котором магнитные моменты атомов имеют случайную ориентацию.^[7][22]

Для хороших проводников, таких как золото или медь, Уровень Ферми лежит в пределах зр группа, и d полоса полностью заполнена. В ферромагнетиках зависимость рассеяния электронов на атомах от ориентации их магнитных моментов связана с заполнением полосы, отвечающей за магнитные свойства металла, например 3d лента для железа, никеля или кобальта. В d полоса ферромагнетиков расщепляется, так как содержит разное количество электронов со спинами, направленными вверх и вниз. Следовательно, плотность электронных состояний на уровне Ферми также различна для спинов, направленных в противоположные стороны. Уровень Ферми для электронов с мажоритарным спином находится в пределах зр полосы, и их транспорт аналогичен в ферромагнетиках и немагнитных металлах. Для электронов с неосновным спином зр и d полосы гибридизованы, а уровень Ферми находится в пределах d группа. Гибридные скорость полоса имеет высокую плотность состояний, что приводит к более сильному рассеянию и, следовательно, к более короткой длина свободного пробега λ для неосновного спина, чем для электронов со спином большинства. В никеле, легированном кобальтом, отношение λ_↑/ λ_↓ может достигать 20.^[23]

Согласно Теория Друде, проводимость пропорциональна λ, которая в тонких металлических пленках составляет от нескольких до нескольких десятков нанометров. Электроны «запоминают» направление спина в пределах так называемой длины спиновой релаксации (или длины спиновой диффузии), которая может значительно превышать длину свободного пробега. Спин-зависимый перенос относится к зависимости электропроводности от направления спина носителей заряда. В ферромагнетиках это происходит за счет переходов электронов между нерасщепленными 4s и разделить 3d группы.^[7]

В некоторых материалах взаимодействие между электронами и атомами является самым слабым, когда их магнитные моменты антипараллельны, а не параллельны. Комбинация обоих типов материалов может привести к так называемому обратному эффекту GMR.^[7][24]

Геометрия CIP и CPP

Спиновые клапаны в считывающей головке датчика геометрии CIP (слева) и CPP (справа). Красный: провода, подающие ток на датчик, зеленый и желтый: ферромагнитные и немагнитные слои. V: разность потенциалов.

Электрический ток может проходить через магнитные сверхрешетки двумя способами. В геометрии тока в плоскости (CIP) ток течет по слоям, а электроды расположены на одной стороне структуры. В конфигурации тока перпендикулярно плоскости (CPP) ток проходит перпендикулярно слоям, а электроды расположены по разные стороны сверхрешетки.^[7] Геометрия CPP приводит к более чем двукратному увеличению GMR, но ее труднее реализовать на практике, чем конфигурацию CIP.^[25][26]

Транспорт носителей через магнитную сверхрешетку

Спиновый клапан, основанный на эффекте GMR. FM: ферромагнитный слой (стрелки указывают направление намагничивания), NM: немагнитный слой. Электроны со спинами вверх и вниз по-разному разбегаются в клапане.

Магнитное упорядочение различается в сверхрешетках с ферромагнитным и антиферромагнитным взаимодействием между слоями. В первом случае направления намагничивания одинаковы в разных ферромагнитных слоях в отсутствие приложенного магнитного поля, тогда как во втором случае противоположные направления в мультислое чередуются. Электроны, проходящие через ферромагнитную сверхрешетку, взаимодействуют с ней намного слабее, когда их спиновые направления противоположны намагниченности решетки, чем когда они параллельны ей. Для антиферромагнитной сверхрешетки такая анизотропия не наблюдается; в результате он рассеивает электроны сильнее, чем ферромагнитная сверхрешетка, и демонстрирует более высокое электрическое сопротивление.^[7]

Применение эффекта GMR требует динамического переключения между параллельной и антипараллельной намагниченностью слоев в сверхрешетке. В первом приближении плотность энергии взаимодействия двух ферромагнитных слоев, разделенных немагнитным слоем, пропорциональна скалярному произведению их намагниченностей:

${ displaystyle w = -J ( mathbf {M} _ {1} cdot mathbf {M} _ {2}).}$

Коэффициент J является колебательной функцией толщины немагнитного слоя d_s; следовательно J может менять свою величину и знак. Если d_s значение соответствует антипараллельному состоянию, тогда внешнее поле может переключить сверхрешетку из антипараллельного состояния (высокое сопротивление) в параллельное состояние (низкое сопротивление). Общее сопротивление конструкции можно записать как

${ Displaystyle R = R_ {0} + Delta R sin ^ {2} { frac { theta} {2}},}$

где R₀ - сопротивление ферромагнитной сверхрешетки, ΔR - приращение ГМС, θ - угол между намагниченностями соседних слоев.^[25]

Математическое описание

Явление GMR можно описать с помощью двух каналов спиновой проводимости, соответствующих проводимости электронов, для которых сопротивление является минимальным или максимальным. Связь между ними часто определяют через коэффициент спиновой анизотропии β. Этот коэффициент можно определить с помощью минимума и максимума удельного электрического сопротивления ρ_{F ±} для спин-поляризованного тока в виде

${ displaystyle rho _ {F pm} = { frac {2 rho _ {F}} {1 pm beta}},}$

куда ρ_F - среднее сопротивление ферромагнетика.^[27]

Модель резистора для конструкций CIP и CPP

Если рассеяние носителей заряда на границе раздела между ферромагнитным и немагнитным металлом невелико, а направление электронных спинов сохраняется достаточно долго, удобно рассматривать модель, в которой полное сопротивление образца представляет собой комбинацию сопротивления магнитного и немагнитного слоев.

В этой модели существует два канала проводимости для электронов с различными направлениями спина относительно намагниченности слоев. Следовательно, эквивалентная схема структуры GMR состоит из двух параллельных соединений, соответствующих каждому из каналов. В этом случае GMR можно выразить как

${ displaystyle delta _ {H} = { frac { Delta R} {R}} = { frac {R _ { uparrow downarrow} -R _ { uparrow uparrow}} {R _ { uparrow uparrow} }}} = { frac {( rho _ {F +} - rho _ {F -}) ^ {2}} {(2 rho _ {F +} + chi rho _ {N}) (2 rho _ {F -} + chi rho _ {N})}}.}$

Здесь индексом R обозначена коллинеарная и противоположно ориентированная намагниченность в слоях, х = Ь / а - отношение толщин магнитного и немагнитного слоев, а ρ_N - удельное сопротивление немагнитного металла. Это выражение применимо как для структур CIP, так и для CPP. При условии ${ displaystyle chi rho _ {N} ll rho _ {F pm}}$ это соотношение можно упростить, используя коэффициент асимметрии спина

${ displaystyle delta _ {H} = { frac { beta ^ {2}} {1- beta ^ {2}}}.}$

Такое устройство, сопротивление которого зависит от ориентации электронного спина, называется спиновой клапан. Он «открытый», если намагниченности его слоев параллельны, и «закрытый» в противном случае.^[28]

Модель Valet-Fert

В 1993 году Тьерри Вале и Альберт Фер представили модель гигантского магнитосопротивления в геометрии CPP, основанную на уравнениях Больцмана. В этой модели химический потенциал внутри магнитного слоя разделен на две функции, соответствующие электронам со спинами, параллельными и антипараллельными намагниченности слоя. Если немагнитный слой достаточно тонкий, то во внешнем поле E₀ поправки к электрохимическому потенциалу и полю внутри образца примут вид

${ displaystyle Delta mu = { frac { beta} {1- beta ^ {2}}} eE_ {0} ell _ {s} e ^ {z / ell _ {s}},}$

${ displaystyle Delta E = { frac { beta ^ {2}} {1- beta ^ {2}}} eE_ {0} ell _ {s} e ^ {z / ell _ {s} },}$

куда ℓ_s - средняя длина спиновой релаксации, а координата z отсчитывается от границы между магнитным и немагнитным слоями (z <0 соответствует ферромагнетику).^[18] Таким образом, электроны с большим химическим потенциалом будут накапливаться на границе ферромагнетика.^[29] Это можно представить как потенциал накопления спинов. V_{В КАЧЕСТВЕ} или так называемым межфазным сопротивлением (присущим границе между ферромагнетиком и немагнитным материалом)

${ displaystyle R_ {i} = { frac { beta ( mu _ { uparrow downarrow} - mu _ { uparrow uparrow})} {2ej}} = { frac { beta ^ {2 } ell _ {sN} rho _ {N}} {1+ (1- beta ^ {2}) ell _ {sN} rho _ {N} / ( ell _ {sF} rho _ {F})}},}$

куда j - плотность тока в образце, ℓ_sN и ℓ_SF - длина спиновой релаксации в немагнитных и магнитных материалах соответственно.^[30]

Подготовка устройства

Материалы и экспериментальные данные.

Многие комбинации материалов демонстрируют GMR,^[31] и наиболее распространены следующие:

• FeCr^[10]
• Co₁₀Cu₉₀: δ_ЧАС = 40% при комнатной температуре^[32]
• [110] Co₉₅Fe₅/ Cu: δ_ЧАС = 110% при комнатной температуре.^[31]

Магнитосопротивление зависит от многих параметров, таких как геометрия устройства (CIP или CPP), его температура и толщина ферромагнитных и немагнитных слоев. При температуре 4,2 К и толщине слоев кобальта 1,5 нм увеличение толщины слоев меди d_Cu от 1 до 10 нм уменьшилось δ_ЧАС от 80 до 10% в геометрии CIP. Между тем, в геометрии CPP максимум δ_ЧАС (125%) наблюдалась для d_Cu = 2,5 нм, и увеличивая d_Cu до 10 нм уменьшено δ_ЧАС до 60% колебательным образом.^[33]

При нагревании сверхрешетки Co (1,2 нм) / Cu (1,1 нм) от почти нуля до 300 K ее δ_ЧАС уменьшился с 40 до 20% в геометрии CIP и со 100 до 55% в геометрии CPP.^[34]

Немагнитные слои могут быть неметаллическими. Например, δ_ЧАС до 40% было продемонстрировано для органических слоев при 11 К.^[35] Графеновые спиновые клапаны различной конструкции продемонстрировали δ_ЧАС около 12% при 7 К и 10% при 300 К, что намного ниже теоретического предела 109%.^[36]

Эффект GMR можно усилить с помощью спиновых фильтров, отбирающих электроны с определенной ориентацией спина; они сделаны из металлов, таких как кобальт. Для фильтра толщины т изменение проводимости ΔG можно выразить как

${ displaystyle Delta G = Delta G_ {SV} + Delta G_ {f} (1-e ^ { beta t / lambda}),}$

где ΔG_SV - изменение проводимости спинового клапана без фильтра, ΔG_ж - максимальное увеличение проводимости с фильтром, а β - параметр фильтрующего материала.^[37]

Виды GMR

GMR часто классифицируют по типу устройств, которые проявляют эффект.^[38]

Фильмы

Антиферромагнитные сверхрешетки

ГМС в пленках впервые наблюдали Ферт и Грюнберг при исследовании сверхрешеток, состоящих из ферромагнитных и немагнитных слоев. Толщина немагнитных слоев была выбрана такой, чтобы взаимодействие между слоями было антиферромагнитным, а намагниченность в соседних магнитных слоях была антипараллельной. Тогда внешнее магнитное поле могло бы сделать векторы намагниченности параллельными, тем самым влияя на электрическое сопротивление конструкции.^[10]

Магнитные слои в таких структурах взаимодействуют посредством антиферромагнитной связи, что приводит к колебательной зависимости GMR от толщины немагнитного слоя. В первых датчиках магнитного поля на антиферромагнитных сверхрешетках поле насыщения было очень большим, до десятков тысяч Эрстед, из-за сильного антиферромагнитного взаимодействия между их слоями (сделанными из хрома, железа или кобальта) и сильными полями анизотропии в них. Поэтому чувствительность устройств была очень низкой. Использование пермаллой для магнитного и серебра для немагнитных слоев снизили поле насыщения до десятков эрстед.^[39]

Спиновые клапаны с использованием обменного смещения

В наиболее удачных спиновых клапанах эффект GMR возникает из-за обменного смещения. Они состоят из чувствительного слоя, «фиксированного» слоя и антиферромагнитного слоя. Последний слой фиксирует направление намагниченности в «фиксированном» слое. Чувствительный и антиферромагнитный слои сделаны тонкими, чтобы уменьшить сопротивление конструкции. Клапан реагирует на внешнее магнитное поле изменением направления намагниченности в чувствительном слое относительно «неподвижного» слоя.^[39]

Основным отличием этих спиновых клапанов от других многослойных устройств ГМС является монотонная зависимость амплитуды воздействия от толщины. d_N немагнитных слоев:

${ displaystyle delta _ {H} (d_ {N}) = delta _ {H0} { frac { exp left (-d_ {N} / lambda _ {N} right)} {1+ d_ {N} / d_ {0}}},}$

где δ_H0 - нормировочная постоянная, λ_N - длина свободного пробега электронов в немагнитном материале, d₀ эффективная толщина, которая включает взаимодействие между слоями.^[38][40] Зависимость от толщины ферромагнитного слоя может быть представлена ​​как:

${ displaystyle delta _ {H} (d_ {F}) = delta _ {H1} { frac {1- exp left (-d_ {F} / lambda _ {F} right)} { 1 + d_ {F} / d_ {0}}}.}$

Параметры имеют то же значение, что и в предыдущем уравнении, но теперь они относятся к ферромагнитному слою.^[31]

Невзаимодействующие многослойные (псевдоспиновые клапаны)

ГМС можно наблюдать и в отсутствие слоев антиферромагнитной связи. В этом случае магнитосопротивление возникает из-за разницы в коэрцитивных силах (например, для пермаллоя оно меньше, чем для кобальта). В мультислоях, таких как пермаллой / Cu / Co / Cu, внешнее магнитное поле переключает направление намагниченности насыщения на параллельное в сильных полях и на антипараллельное в слабых полях. Такие системы обладают меньшим полем насыщения и большей величиной δ_ЧАС чем сверхрешетки с антиферромагнитной связью.^[39] Аналогичный эффект наблюдается в структурах Co / Cu. Существование этих структур означает, что GMR не требует межслойной связи и может происходить из распределения магнитных моментов, которым можно управлять с помощью внешнего поля.^[41]

Обратный эффект GMR

В обратном ГМС сопротивление минимально при антипараллельной ориентации намагниченности в слоях. Обратный ГМС наблюдается, когда магнитные слои состоят из разных материалов, таких как NiCr / Cu / Co / Cu. Сопротивление для электронов с противоположными спинами можно записать как ${ displaystyle rho _ { uparrow, downarrow} = { frac {2 rho _ {F}} {1 pm beta}}}$; он имеет разные значения, то есть разные коэффициенты β для электронов со спином вверх и вниз. Если слой NiCr не слишком тонкий, его вклад может превышать вклад слоя Co, что приводит к обратному GMR.^[24] Отметим, что инверсия GMR зависит от знака товар коэффициентов β в соседних ферромагнитных слоях, но не от знаков отдельных коэффициентов.^[34]

Обратный ГМС также наблюдается, если сплав NiCr заменяется никелем, легированным ванадием, но не при легировании никеля железом, кобальтом, марганцем, золотом или медью.^[42]

GMR в зернистых структурах

ГМС в гранулированных сплавах ферромагнитных и немагнитных металлов был открыт в 1992 г. и впоследствии объяснен спин-зависимым рассеянием носителей заряда на поверхности и в объеме зерен. Зерна образуют ферромагнитные кластеры диаметром около 10 нм, встроенные в немагнитный металл, образуя своего рода сверхрешетку. Необходимым условием ГМС в таких структурах является плохая взаимная растворимость его компонентов (например, кобальта и меди). Их свойства сильно зависят от температуры измерения и отжига. Они также могут демонстрировать обратный GMR.^[32][43]

Приложения

Датчики спин-клапана

Основной принцип

Копия датчика GMR, разработанного Петером Грюнбергом

Одно из основных применений материалов GMR - датчики магнитного поля, например, в жестких дисках.^[25] и биосенсоры,^[31] а также детекторы колебаний в MEMS.^[31] Типичный датчик на основе GMR состоит из семи слоев:

1. Силиконовая подложка,
2. Связующий слой,
3. Чувствительный (нефиксированный) слой,
4. Немагнитный слой,
5. Фиксированный слой,
6. Антиферромагнитный (пиннинг) слой,
7. Защитный слой.

Связующий и защитный слои часто состоят из тантал, а типичным немагнитным материалом является медь. В чувствительном слое намагниченность может быть переориентирована внешним магнитным полем; он обычно изготавливается из сплавов NiFe или кобальта. FeMn или NiMn можно использовать в качестве антиферромагнитного слоя. Неподвижный слой изготовлен из магнитного материала, например кобальта. Такой датчик имеет асимметричную петлю гистерезиса из-за наличия магнитотвердого фиксированного слоя.^[44][45]

Спиновые клапаны могут проявлять анизотропное магнитосопротивление, что приводит к асимметрии кривой чувствительности.^[46]

Жесткие диски

В жесткие диски (HDD) информация кодируется с помощью магнитные домены, а изменение направления их намагничивания связано с логическим уровнем 1, в то время как отсутствие изменений представляет собой логический 0. Существует два метода записи: продольный и перпендикулярный.

В продольном методе намагниченность перпендикулярна поверхности. Между доменами образуется переходная область (доменные стенки), в которой магнитное поле выходит из материала. Если доменная стенка расположена на границе двух доменов северного полюса, то поле направлено наружу, а для двух доменов южного полюса - внутрь. Чтобы считывать направление магнитного поля над доменной стенкой, направление намагничивания фиксируется нормально к поверхности в антиферромагнитном слое и параллельно поверхности в чувствительном слое. Изменение направления внешнего магнитного поля отклоняет намагниченность в чувствительном слое. Когда поле стремится выровнять намагниченности в чувствительном и фиксированном слоях, электрическое сопротивление датчика уменьшается, и наоборот.^[47]

Магнитная RAM

Использование спинового клапана в MRAM. 1: спиновой клапан как ячейка памяти (стрелки указывают на наличие ферромагнитных слоев), 2: строка строки, 3: строка столбца. Эллипсы со стрелками обозначают силовые линии магнитного поля вокруг строк и столбцов, когда через них протекает электрический ток.

Ячейка магниторезистивная память с произвольным доступом (MRAM) имеет структуру, аналогичную датчику спин-клапана. Значение сохраненных битов может быть закодировано через направление намагничивания в слое датчика; это считывается путем измерения сопротивления конструкции. Преимуществами этой технологии являются независимость от источника питания (информация сохраняется при отключении питания из-за потенциального барьера для переориентации намагниченности), низкое энергопотребление и высокая скорость.^[25]

В типичном запоминающем устройстве на основе GMR структура CIP расположена между двумя проводами, ориентированными перпендикулярно друг другу. Эти проводники называются линиями строк и столбцов. Импульсы электрического тока, проходящие через линии, создают вихревое магнитное поле, которое влияет на структуру ГМС. Силовые линии имеют форму эллипсоида, а направление поля (по или против часовой стрелки) определяется направлением тока в линии. В структуре ГМС намагниченность ориентирована вдоль линии.

Направление поля, создаваемого линией колонны, почти параллельно магнитным моментам, и оно не может их переориентировать. Линия ряда перпендикулярна и независимо от величины поля может повернуть намагниченность всего на 90 °. При одновременном прохождении импульсов по строкам и столбцам полное магнитное поле в месте расположения ГМС-структуры будет направлено под острым углом к ​​одной точке и тупым углом к ​​другим. Если значение поля превышает какое-то критическое значение, последнее меняет свое направление.

Для описываемой ячейки существует несколько способов хранения и чтения. В одном методе информация хранится в чувствительном слое; он считывается при измерении сопротивления и стирается при считывании. В другой схеме информация хранится в фиксированном слое, для чего требуются более высокие токи записи по сравнению с токами чтения.^[48]

Туннельное магнитосопротивление (TMR) - это расширение спинового клапана GMR, в котором электроны перемещаются со своими спинами, ориентированными перпендикулярно слоям, через тонкий изолирующий туннельный барьер (заменяющий неферромагнитную прокладку). Это позволяет добиться большего импеданса, большего магнитосопротивление значение (~ 10x при комнатной температуре) и незначительная температурная зависимость. TMR теперь заменил GMR в MRAM и Дисковый привод, в частности, для высокой плотности и перпендикулярной записи.^[49]

Другие приложения

Магниторезистивные изоляторы для бесконтактной передачи сигналов между двумя электрически изолированными частями электрических цепей были впервые продемонстрированы в 1997 году в качестве альтернативы. оптоизоляторы. А Мост Уитстона четырех идентичных устройств GMR нечувствителен к однородному магнитному полю и реагирует только тогда, когда направления поля антипараллельны в соседних плечах моста. Такие устройства появились в 2003 году и могут использоваться как выпрямители с линейной частотной характеристикой.^[31]

Примечания

Цитаты

Библиография

внешняя ссылка

• Гигантское магнитосопротивление: действительно большая идея за очень маленьким инструментом Национальная лаборатория сильного магнитного поля
• Презентация GMR-техники (IBM Research)