Магнитное сопротивление

Магнитное сопротивление (также магнитное сопротивление, магниторезистивный эффект) — это свойство материала изменять своё электрическое сопротивление под действием внешнего магнитного поля. В более широком смысле термин может относиться к явлению, при котором магнитное поле влияет на движение носителей заряда (электронов или дырок) в проводнике или полупроводнике, что приводит к изменению его проводимости. Магнитное сопротивление является основой для работы ряда датчиков, устройств магнитной памяти и считывающих головок.

Физическая природа

Магнитное сопротивление обусловлено несколькими механизмами, которые зависят от типа материала, температуры и геометрии образца. Основные из них:

Обычное магнетосопротивление (OMR)

Обычное магнетосопротивление возникает в любых проводниках и полупроводниках под действием магнитного поля. Причина — сила Лоренца, которая отклоняет движущиеся заряженные частицы от прямолинейной траектории. В результате увеличивается длина пути, проходимого электронами между столкновениями с ионами решетки, что эквивалентно росту сопротивления. Эффект проявляется сильнее в материалах с высокой подвижностью носителей заряда (например, в чистых металлах при низких температурах) и в образцах сложной формы (например, в дисках Корбино). В слабых полях сопротивление растёт пропорционально квадрату индукции магнитного поля, в сильных — может выходить на насыщение.

Анизотропное магнетосопротивление (AMR)

Анизотропное магнетосопротивление наблюдается в ферромагнитных материалах (железо, никель, кобальт и их сплавы). Оно заключается в зависимости сопротивления от угла между направлением протекающего тока и вектором намагниченности материала. При параллельной ориентации тока и намагниченности сопротивление обычно выше, чем при перпендикулярной. Величина эффекта AMR невелика — от 1 до 5% при комнатной температуре. Механизм связан с рассеянием электронов на магнитных неоднородностях (доменах) и спин-орбитальным взаимодействием. AMR используется в датчиках магнитного поля, например, в компасах и системах определения положения.

Гигантское магнетосопротивление (GMR)

Гигантское магнетосопротивление — это резкое (на десятки процентов) изменение сопротивления многослойных структур, состоящих из чередующихся ферромагнитных и немагнитных (металлических) слоёв толщиной в несколько нанометров. Открыто в 1988 году независимо группами Альбера Фера (Франция) и Петера Грюнберга (Германия), за что в 2007 году они были удостоены Нобелевской премии по физике. Эффект GMR основан на спин-зависимом рассеянии электронов: когда намагниченности соседних ферромагнитных слоёв параллельны, электроны с определённым спином проходят через структуру с меньшим сопротивлением; когда антипараллельны — рассеяние усиливается, и сопротивление растёт. Типичные материалы: слои кобальта или железа, разделённые медью или хромом. GMR позволил создать сверхчувствительные считывающие головки для жёстких дисков, что привело к многократному увеличению плотности записи информации.

Колоссальное магнетосопротивление (CMR)

Колоссальное магнетосопротивление наблюдается в манганитах — сложных оксидах марганца (например, La₁₋ₓCaₓMnO₃). Изменение сопротивления может достигать миллионов процентов вблизи температуры фазового перехода (переход металл-диэлектрик). В отличие от GMR, эффект CMR обусловлен не только спиновыми, но и сильными электрон-фононными взаимодействиями (эффект Яна-Теллера). Практическое применение CMR ограничено из-за необходимости сильных магнитных полей (единицы тесла) и низких температур для большинства составов.

Туннельное магнетосопротивление (TMR)

Туннельное магнетосопротивление возникает в магнитных туннельных переходах (MTJ) — структурах, состоящих из двух ферромагнитных слоёв, разделённых ультратонким (1–2 нм) слоем изолятора (например, оксида алюминия или оксида магния). Электроны туннелируют через барьер, и вероятность туннелирования зависит от взаимной ориентации намагниченностей слоёв. При параллельной ориентации сопротивление минимально, при антипараллельной — максимально. Величина TMR может превышать 100% при комнатной температуре. TMR используется в магниторезистивной оперативной памяти (MRAM) и в датчиках.

Классификация по величине эффекта

По величине относительного изменения сопротивления (ΔR/R) магнетосопротивление условно делят на:

• Малое — до 1% (обычное магнетосопротивление в большинстве металлов).
• Анизотропное — 1–5% (AMR).
• Гигантское — 10–100% (GMR).
• Колоссальное — от 100% до миллионов процентов (CMR).
• Туннельное — от 10% до нескольких сотен процентов (TMR).

Применение

Магнитное сопротивление нашло широкое применение в технике и электронике:

• Считывающие головки жёстких дисков. Использование GMR-головок позволило начиная с 1990-х годов увеличить плотность записи данных с десятков мегабит на квадратный дюйм до нескольких терабит на квадратный дюйм.
• Магниторезистивная оперативная память (MRAM). MRAM сочетает скорость статической памяти (SRAM) и энергонезависимость флеш-памяти. В основе ячеек MRAM лежат магнитные туннельные переходы (TMR). Разработкой MRAM занимаются компании Everspin Technologies, Samsung, IBM.
• Датчики магнитного поля. Датчики на основе AMR и GMR используются в автомобильной промышленности (датчики угла поворота коленвала, скорости вращения колёс), в навигации (электронные компасы), в робототехнике, в системах безопасности (детекторы металла).
• Биосенсоры. Магнитные наночастицы, связанные с биологическими молекулами, могут быть обнаружены с помощью GMR-сенсоров, что позволяет создавать высокочувствительные диагностические системы.

Материалы

Для различных типов магнетосопротивления используются разные материалы:

• AMR: сплавы пермаллой (NiFe), кобальт, никель.
• GMR: многослойные структуры Co/Cu, Fe/Cr, NiFe/Cu.
• TMR: магнитные туннельные переходы на основе CoFeB/MgO/CoFeB.
• CMR: манганиты лантана-стронция или лантана-кальция (LaSrMnO₃, LaCaMnO₃).

История открытия

Первые наблюдения магнетосопротивления относятся к 1856 году, когда Уильям Томсон (лорд Кельвин) обнаружил, что сопротивление железа и никеля изменяется в магнитном поле. Однако систематическое изучение началось лишь в XX веке. В 1930-х годах были открыты анизотропные эффекты в ферромагнетиках. В 1988 году открытие GMR стало прорывом, который привёл к революции в хранении данных. В 1990-х годах были открыты CMR и TMR, а в 2000-х годах началось коммерческое внедрение MRAM.

Ограничения и недостатки

• Температурная зависимость. Величина магнетосопротивления часто сильно зависит от температуры. Для CMR и некоторых GMR-структур максимальный эффект достигается при низких температурах, что ограничивает их применение в бытовой электронике.
• Необходимость сильных полей. Для CMR и обычного магнетосопротивления требуются магнитные поля в несколько тесла, что создаёт сложности в миниатюризации устройств.
• Сложность изготовления. Многослойные структуры GMR и TMR требуют прецизионной технологии напыления с контролем толщины слоёв на уровне атомов, что увеличивает стоимость производства.

Источники

• Физика твёрдого тела: учебное пособие / под ред. А. А. Абрикосова. — М.: Наука, 1987.
• Чандрасекар С., Дуглас Б. Гигантское магнетосопротивление: физика и применения. — М.: Мир, 2001.
• Нобелевская лекция А. Фера и П. Грюнберга, 2007.
• Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики. — М.: Высшая школа, 2000.
• Справочник по магнетизму / под ред. К. Мура. — М.: Техносфера, 2010.