Магниторезистивный эффект

Магниторезистивный эффект — это изменение электрического сопротивления материала под действием внешнего магнитного поля. Является одним из фундаментальных гальваномагнитных явлений, наряду с эффектом Холла. Величина эффекта количественно характеризуется магнитосопротивлением (MR, от англ. magnetoresistance), которое определяется как относительное изменение сопротивления (ΔR/R₀) в процентах. Магниторезистивный эффект лежит в основе работы множества современных устройств, включая считывающие головки жёстких дисков, датчики магнитного поля, магниторезистивную оперативную память (MRAM) и различные типы магнитометров.

История открытия и изучения

Впервые магниторезистивный эффект был обнаружен в 1856 году британским физиком Уильямом Томсоном (лордом Кельвином). Он наблюдал изменение сопротивления образцов железа и никеля при помещении их в магнитное поле. Этот эффект, получивший название обыкновенного магнитосопротивления (OMR), был относительно слабым — изменение сопротивления составляло доли процента.

Долгое время эффект оставался лишь лабораторным курьёзом. Ситуация кардинально изменилась в конце XX века. В 1988 году независимо друг от друга группы под руководством Альбера Фера (Франция) и Петера Грюнберга (Германия) открыли гигантский магниторезистивный эффект (GMR). В тонкоплёночных структурах, состоящих из чередующихся ферромагнитных и немагнитных проводящих слоёв, изменение сопротивления достигало десятков процентов. За это открытие учёные были удостоены Нобелевской премии по физике в 2007 году.

В 1994 году Теруно Миядзаки и Нобуо Хосоно открыли туннельный магниторезистивный эффект (TMR) в магнитных туннельных переходах, где сопротивление изменяется за счёт спин-зависимого туннелирования электронов через тонкий изолирующий слой. Величина TMR может превышать 100% и даже 1000% в современных структурах. В 1997 году IBM выпустила первые коммерческие считывающие головки на основе GMR, что позволило резко увеличить плотность записи на жёстких дисках.

Классификация видов магниторезистивного эффекта

Различают несколько основных типов магниторезистивного эффекта, отличающихся физическими механизмами и величиной:

Обыкновенное магнитосопротивление (OMR)

Наблюдается во всех металлах и полупроводниках. Обусловлено искривлением траекторий носителей заряда в магнитном поле под действием силы Лоренца. Это приводит к увеличению эффективной длины пробега электронов и, как следствие, к росту сопротивления. Эффект, как правило, мал (доли процента) и квадратичен по полю при малых полях, переходя в линейный при сильных полях.

Анизотропное магнитосопротивление (AMR)

Характерно для ферромагнитных металлов (железо, никель, кобальт и их сплавы). Сопротивление зависит от угла между направлением намагниченности образца и направлением протекающего тока. Максимальное сопротивление наблюдается, когда ток параллелен намагниченности, минимальное — когда перпендикулярен. Величина AMR составляет от 1% до 5% при комнатной температуре. Этот эффект широко использовался в считывающих головках до появления GMR.

Гигантское магнитосопротивление (GMR)

Наблюдается в многослойных тонкоплёночных структурах, состоящих из чередующихся ферромагнитных (Fe, Co, NiFe) и немагнитных проводящих (Cu, Cr, Ag) слоёв толщиной в несколько нанометров. Физическая основа — спин-зависимое рассеяние электронов. Электроны с разным направлением спина (вверх или вниз) по-разному рассеиваются на границах ферромагнитных слоёв. Когда намагниченности соседних ферромагнитных слоёв параллельны, электроны с одним направлением спина проходят через структуру с малым рассеянием, что даёт низкое сопротивление. Когда намагниченности антипараллельны, рассеяние велико для обоих типов электронов, и сопротивление возрастает. Величина GMR может достигать 50–100% при комнатной температуре.

Туннельное магнитосопротивление (TMR)

Реализуется в магнитных туннельных переходах (MTJ), где два ферромагнитных слоя разделены ультратонким (1–2 нм) слоем диэлектрика (обычно Al₂O₃ или MgO). Электроны туннелируют через этот барьер. Вероятность туннелирования зависит от взаимной ориентации намагниченностей электродов и спинового состояния электронов. При параллельной намагниченности туннельный ток максимален, при антипараллельной — минимален. TMR может достигать сотен процентов (до 600% и более в структурах с кристаллическим MgO-барьером).

Гигантское магнитоимпедансное сопротивление (GMI)

Наблюдается в аморфных ферромагнитных проволоках и лентах при протекании высокочастотного переменного тока. Изменение импеданса в магнитном поле может достигать сотен и тысяч процентов. Эффект связан с изменением глубины скин-слоя из-за изменения магнитной проницаемости материала под действием внешнего поля.

Колоссальное магнитосопротивление (CMR)

Наблюдается в некоторых манганитах (например, La₁₋ₓCaₓMnO₃) вблизи температуры фазового перехода. Изменение сопротивления в магнитном поле может быть гигантским — до нескольких порядков (10⁶% и более). Однако эффект требует сильных магнитных полей (единицы тесла) и проявляется при низких температурах, что ограничивает его практическое применение.

Физический механизм

Общим для всех магниторезистивных эффектов является влияние магнитного поля на движение носителей заряда (электронов) в твёрдом теле. В основе лежат два основных механизма:

1. Лоренцевский механизм (OMR): Магнитное поле искривляет траектории электронов, увеличивая путь, который они проходят между столкновениями, и, следовательно, увеличивая сопротивление.
2. Спин-зависимый механизм (GMR, TMR, AMR): Сопротивление зависит от ориентации спина электрона относительно намагниченности материала. В ферромагнетиках плотность состояний для электронов со спином «вверх» и «вниз» различна. Это приводит к разной вероятности рассеяния (GMR) или туннелирования (TMR) для электронов с разным спином. Внешнее магнитное поле переориентирует намагниченность слоёв, изменяя условия прохождения тока.

Применение

Магниторезистивные эффекты нашли широчайшее применение в современной электронике и измерительной технике.

Считывающие головки жёстких дисков

Первое массовое применение GMR- и TMR-эффектов. Головка представляет собой многослойную структуру, которая «чувствует» изменение магнитного поля от битов информации на магнитном диске. Переход от AMR-головок к GMR-головкам в конце 1990-х годов позволил увеличить плотность записи более чем в 10 раз. Современные головки используют TMR-эффект.

Магниторезистивная оперативная память (MRAM)

Тип энергонезависимой памяти, где бит информации хранится в виде направления намагниченности ферромагнитного слоя в магнитном туннельном переходе. Считывание информации происходит по величине туннельного тока (TMR-эффект), а запись — с помощью магнитного поля или спин-трансферного момента. MRAM сочетает высокую скорость работы, неограниченное число циклов перезаписи и энергонезависимость.

Датчики магнитного поля

Магниторезисторы (датчики на основе AMR, GMR, TMR) используются для измерения магнитных полей от долей микротесла до единиц тесла. Они применяются в:

• Компасных датчиках в смартфонах и навигационных системах.
• Датчиках положения и угла поворота в автомобильной промышленности (датчики ABS, датчики коленвала, датчики положения дроссельной заслонки).
• Датчиках тока (бесконтактное измерение тока в проводнике по его магнитному полю).
• Охранных системах и металлодетекторах.
• Биомедицинских исследованиях (магнитокардиография, магнитоэнцефалография).

Другие применения

• Спинтроника: Магниторезистивные эффекты являются основой для устройств спинтроники — электроники, использующей для обработки информации не только заряд, но и спин электрона.
• Магниторезистивные генераторы и детекторы СВЧ-излучения на основе спин-трансферного момента.
• Магниторезистивные датчики в геофизике для разведки полезных ископаемых.

Интересные факты

• Открытие гигантского магнитосопротивления (GMR) часто называют первым практическим прорывом в области нанотехнологий, так как эффект проявляется в структурах с толщиной слоёв в несколько атомов.
• Нобелевская премия 2007 года за открытие GMR была присуждена Альберу Феру и Петеру Грюнбергу. Первый коммерческий продукт на основе GMR — считывающая головка для жёсткого диска IBM — появился на рынке всего через 9 лет после открытия эффекта.
• Эффект колоссального магнитосопротивления (CMR) в манганитах, хотя и даёт огромное изменение сопротивления, до сих пор не нашёл широкого коммерческого применения из-за необходимости сильных полей и низких температур.
• В России исследования в области магниторезистивных эффектов активно ведутся в Институте физики металлов УрО РАН (Екатеринбург), Институте радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН (Москва), а также в ряде других научных центров.

Источники

1. Томсон, У. (1856). "On the Electro-Dynamic Qualities of Metals: Effects of Magnetization on the Electric Conductivity of Nickel and of Iron". Proceedings of the Royal Society of London.
2. Baibich, M. N., et al. (1988). "Giant Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic Superlattices". Physical Review Letters.
3. Binasch, G., et al. (1989). "Enhanced magnetoresistance in layered magnetic structures with antiferromagnetic interlayer exchange". Physical Review B.
4. Miyazaki, T., & Tezuka, N. (1995). "Giant magnetic tunneling effect in Fe/Al₂O₃/Fe junction". Journal of Magnetism and Magnetic Materials.
5. Moodera, J. S., et al. (1995). "Large Magnetoresistance at Room Temperature in Ferromagnetic Thin Film Tunnel Junctions". Physical Review Letters.
6. И. В. Золотухин, Ю. Е. Калинин, А. В. Ситников. (2005). Магниторезистивные эффекты в нанокомпозитах. Воронеж: Воронежский государственный технический университет.
7. Никитин, С. А. (2008). Магнетизм и магнитные материалы. Москва: Издательство МГУ.