Спиновой клапан
Спиновый клапан — это устройство, состоящее из двух или более проводящих магнитных материалов, электрическое сопротивление которых может изменяться между двумя значениями в зависимости от относительного выравнивания намагниченности в слоях. Изменение сопротивления является результатом гигантского магниторезистивного эффекта . Магнитные слои устройства выравниваются «вверх» или «вниз» в зависимости от внешнего магнитного поля . В простейшем случае спиновый клапан состоит из немагнитного материала, зажатого между двумя ферромагнетиками , один из которых закреплен (закреплен) антиферромагнетиком , который повышает его магнитную коэрцитивность и ведет себя как «жесткий» слой, а другой бесплатен (не закреплен) и ведет себя как «мягкий» слой. Из-за разницы в коэрцитивности мягкий слой меняет полярность при меньшей напряженности приложенного магнитного поля, чем жесткий. При приложении магнитного поля соответствующей силы мягкий слой меняет полярность, создавая два различных состояния: параллельное состояние с низким сопротивлением и антипараллельное состояние с высоким сопротивлением. Изобретение спиновых клапанов приписывают Доктор Стюарт Паркин [1] и его команда в Исследовательском центре IBM в Альмадене . Доктор Паркин в настоящее время является управляющим директором Института физики микроструктур Макса Планка в Галле, Германия.
Как это работает
[ редактировать ]Спиновые клапаны работают благодаря квантовому свойству электронов (и других частиц), называемому спином . Из-за расщепления плотности состояний электронов при энергии Ферми в ферромагнетиках возникает суммарная спиновая поляризация. Таким образом, электрический ток, проходящий через ферромагнетик, несет как заряд , так и спиновую составляющую. Для сравнения, обычный металл имеет одинаковое количество электронов со спинами вверх и вниз, поэтому в ситуациях равновесия такие материалы могут выдерживать ток заряда с нулевой суммарной составляющей спина. Однако, пропуская ток из ферромагнетика в обычный металл, можно передать спин. Таким образом, обычный металл может передавать спин между отдельными ферромагнетиками при условии достаточно большой длины спиновой диффузии .
Спиновая передача зависит от расположения магнитных моментов в ферромагнетиках. Если ток проходит через ферромагнетик, у которого большая часть спина направлена вверх, например, то электроны со спином вверх будут проходить сквозь него относительно беспрепятственно, в то время как электроны со спином вниз будут либо «отражаться», либо рассеиваться с переворотом спина, вращаясь вверх при встрече с ферромагнетиком. найти пустое энергетическое состояние в новом материале. Таким образом, если как фиксированный, так и свободный слои поляризованы в одном направлении, устройство имеет относительно низкое электрическое сопротивление, тогда как если приложенное магнитное поле обращено на противоположное и полярность свободного слоя также меняется на противоположную, то устройство имеет более высокое сопротивление из-за дополнительного энергия, необходимая для рассеяния с переворотом спина.
Антиферромагнитные и немагнитные слои
[ редактировать ]Антиферромагнитный слой необходим для закрепления одного из ферромагнитных слоев (т. е. для придания ему жесткости или магнитотвердости). Это является результатом большой отрицательной обменной энергии связи между контактирующими ферромагнетиками и антиферромагнетиками.
Немагнитный слой необходим для развязки двух ферромагнитных слоев так, чтобы хотя бы один из них оставался свободным (магнитомягким).
Псевдоспиновые клапаны
[ редактировать ]Основные принципы работы псевдоспинового клапана идентичны принципам обычного спинового клапана, но вместо изменения магнитной коэрцитивной силы различных ферромагнитных слоев путем закрепления одного из них антиферромагнитным слоем, два слоя состоят из разных ферромагнетиков с разной коэрцитивностью. например, NiFe и Co. Обратите внимание, что коэрцитивная сила в значительной степени является внешним свойством материалов и, таким образом, определяется условиями обработки.
Приложения
[ редактировать ]Спиновые клапаны используются в магнитных датчиках и жестких дисков . считывающих головках [2] Они также используются в магнитных запоминающих устройствах с произвольным доступом ( MRAM ).
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Физик Стюарт Паркин, обладатель медали APS, об эпохе цифровых технологий и выходе за рамки » . aps.org . Проверено 2 мая 2024 г.
- ^ «Исследование материалов и явлений спинтроники» . Проверено 13 января 2012 г.