Gigantski magnetootpornički efekat

Gigantski magnetootpornički efekat (GME) je kvantno mehanički efekat uočen u strukturama koje sadrže tanke slojeve (filmove) feromagnetskih materijala koji su međusobno razdvojeni filmovima od dijamagnetskih metala.

Rezultati Ferta i saradnika koji pokazuju zavisnost pada otpornosti feromagnetskog filma (izrađenog od gvožđa i debljine 3nm) od debljine dijamagnetskog sloja (izrađenog od hroma i različitih debljina):
1. Zelena kriva pokazuje pad otpornosti kada je sloj hroma debljine 1.8nm
2. Plava kriva pokazuje pad otpornosti kada je sloj hroma debljine 1.2nm
3. Narandžasta kriva pokazuje pad otpornosti od izuzetnih 80% kada je sloj hroma debljine 0.9nm

Efekat se ispoljava kao značajna promena otpornosti feromagnetskih filmova od stanja u kome nema spoljašnjeg magnetskog polja (kada su vektori magnetizacije susednih feromagnetskih slojeva paralelni i suprotnosmerni zbog slabe antiferomagnetske sprege koja se javlja između ovih slojeva) ka stanju smanjene otpornosti u prisustvu spoljašnjeg magnetskog polja (usled koga se vektori magnetizacije feromagnetskih slojeva postavljaju u istosmerne položaje). Spinovi elektrona se u dijamagnetskom sloju materijala u jednakom broju postavljaju paralelno ili antiparalelno linijama spoljašnjeg magnetskog polja što dovodi do međusobnog poništavanja i nulte magnetizacije koja dovodi do manjeg magnetskog rasejanja koje uzrokuju paralelno postavljeni vektori magnetizacije feromagnetskih filmova.

Otkriće

Ovu pojavu u slojevima čistih kristala otkrili su nezavisno Peter Grinberg iz Istraživačkog centra Jilih i Alber Fer sa Univerziteta južnog Pariza 1988. godine, a za to otkriće podelili Nobelovu nagradu za fiziku 2007. godine. Tim istraživača firme IBM koji je predvodio Stjuart Parkin je uspeo da reprodukuje ove efekte sa slojevima polikristala 1989. godine, čime je proširio izglede za ostvarivu primenu ovog efekta, a naročito mogućnosti upotrebe ovog efekta u konstrukciji senzora za detekciju magnetnih polja, i time i nove generacije glava za očitavanje sadržaja računarskih hard diskova. Firma IBM je proizvela prvi komercijalno raspoloživi uređaj zasnovan na ovom efektu u decembru 1997. godine. Trenutna istraživanja se fokusiraju na upotrebi nanožica (koje ispoljavaju veću osetljivost od tankih filmova koji se koriste u hard-diskovima), koje takođe ispoljavaju efekat gigantske magnetootpornosti.

Tipovi GME

Višeslojni GME

Dva ili više feromagnetska sloja su razdvojena vrlo tankim dijamagnetskim filmom (debljine oko 1 nm, npr. Fe/Cr/Fe). Pri određenoj debljini dolazi do RKKJ sprezanja između susednih feromagnetskih slojeva usled koga se vektori magnetizacije sprežu u paralelne suprotnosmerne položaje čime se stvaraju energetski povoljni uslovi za antiparalelno postavljanje vektora magnetizacije u susednim feromagnetskim slojevima. Električni otpor ovog uređaja je obično veći u suprotnosmernoj-paralelnoj postavci a razlika može dostići i nekoliko desetina procenata na sobnoj temperaturi. Međusloj koji razdvaja ova dva uređaja obično odgovara drugom antiferomagnetskom skoku AFM-FM oscilovanja u RKKJ sprezi.

GME je prvi put uočen na višeslojnim konfiguracijama, što je dovelo do toga da se u većini istraživanja GME koristilo 10 i više slojeva materijala.

GME Spinskog ventila

GME Spinskog ventila
Dijamagnetski sloj je dovoljno debeo da sprečava RKKJ sprezanje. Otpornost feromagnetskih i dijamagnetskih slojeva je prikazana na donjoj simboličkoj šemi:
1. Slika sa leve strane pokazuje putanju elektrona koji ima spin +1/2 (nagore) i spin -1/2 (nadole) kroz istosmerne feromagnetske slojeve i liniju povećanja otpornosti sa dužinom puta kroz materijal. Elektroni spina nadole će podleći većem otporu kretanju kroz materijal zbog delimične rekombinacije sa praznim mestima u kristalnoj rešetki. 2. Slika sa desne strane prikazuje suprotan slučaj. Spinovi su suprotnosmerni te je električni otpor isti za obe vrste elektrona jer se svaka vrsta delimično rekombinuje u odgovarajućem sloju.

Dva feromagnetska sloja su razdvojena tankim (oko 3 nm) neferomagnetskim razdvojnim slojem ali bez RKKJ sprezanja. Ako su polja za anuliranje magnetizacije ove dve feromagnetske elektrode međusobno različita, moguće je da im se nezavisno menja usmerenje magnetizacije. Tako može biti ostvareno paralelno i antiparalelno usmerenje dok vrednost otpornosti obično postaje značajno veća u antiparalelnoj konfiguraciji. Ovaj uređaj se ponekad naziva i spinski-ventil.

Konfiguracija GME spinskog ventila je konfiguracija koja se u industriji najviše upotrebljava i to je konfiguracija koja se koristi u hard dikovima.

Granularni GME

Granularni GME se javlja u čvrstim talozima magnetskog materijala nanetog na nemagnetsku matricu. U praksi, granularni GME je uočen samo u matricama bakra koje sadrže granule kobalta. Razlog je taj što se bakar i kobalt ne mešaju, tako da je moguće stvoriti čvrste taloge putem brzog hlađenja otopljene mešavine bakra i kobalta. Veličine granula variraju u zavisnosti od brzine hlađenja i trajanja naknadnog termičkog otpuštanja. Materijali korišćeni kod granularnog GME nisu u stanju stvoriti visoke stepene GMO (Gigantske magnetootpornosti) koji se sreću kod višeslojnih konfiguracija.

Primena

Kao što je gore napomenuto, GMO se široko primenjuje u konstrukciji glava za čitanje sadržaja savremenih hard-diskova. Nove primene efekta GMO su u konstrukciji trajnih magnetnih RAM memorijskih modula (MRAM).

Literatura

• Magnetic properties of superlattices formed from ferromagnetic and anitferromagnetic materials, L. L. Hinchey and D. L. Mills, Physical Review B, vol. 33, no. 5. str. 3329, March 1986.

• Layered Magnetic Structures: Evidence for Antiferromagnetic Coupling of Fe Layers across Cr Interlayers, P. Grünberg, R. Schreiber, Y. Pang, M. B. Brodsky, and H. Sowers, Physical Review Letters, vol. 57, no. 19. str. 2442, November, 1986.

• Antiparallel coupling between Fe layers separated by a Cr interlayer: Dependence of the magnetization on the film thickness, C. Carbone and S. F. Alvarado, Physical Review B, vol. 36, no. 4. str. 2433, August 1987.

• Giant Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic Superlattices, M. N. Baibich, J. M. Broto, A. Fert, F. Nguyen Van Dau, F. Petroff, P. Eitenne, g. Creuzet, A. Friederich, and J. Chazelas, Physical Review Letters, vol. 61, no. 21. str. 2472, November 1988.