Магнитосопротивление

Магнитосопротивление — это тенденция материала (часто ферромагнитного ) изменять значение своего электрического сопротивления во внешнем магнитном поле . Существует множество эффектов, которые можно назвать магнитосопротивлением. Некоторые из них встречаются в объемных немагнитных металлах и полупроводниках, например, геометрическое магнитосопротивление, колебания Шубникова – де Гааза или обычное положительное магнитосопротивление в металлах. В магнитных металлах возникают и другие эффекты, например отрицательное магнитосопротивление в ферромагнетиках. или анизотропное магнитосопротивление (AMR). Наконец, в многокомпонентных или многослойных системах (например, магнитных туннельных переходах) гигантское магнитосопротивление (ГМС), туннельное магнитосопротивление (ТМС), колоссальное магнитосопротивление (КМС) и необычайное магнитосопротивление можно наблюдать (ЭМС).

Первый магниторезистивный эффект был открыт в 1856 году Уильямом Томсоном , более известным как лорд Кельвин, однако он не смог понизить электрическое сопротивление чего-либо более чем на 5%. Сегодня системы, включающие полуметаллы и концентрические кольцевые структуры ЭМИ известны. В них магнитное поле может регулировать сопротивление на порядки. Поскольку различные механизмы могут изменять сопротивление, полезно отдельно рассмотреть ситуации, когда оно зависит от магнитного поля напрямую (например, геометрическое магнитосопротивление и многозонное магнитосопротивление) и те, где оно зависит косвенно через намагниченность (например, AMR и TMR ).

Открытие

Уильям Томсон (лорд Кельвин) впервые обнаружил обычное магнитосопротивление в 1856 году. Он экспериментировал с кусками железа и обнаружил, что сопротивление увеличивается, когда ток направлен в том же направлении, что и магнитная сила, и уменьшается, когда ток находится под углом 90° к магнитной силе. Затем он проделал тот же эксперимент с никелем и обнаружил, что на него действует то же самое, но величина эффекта была больше. Этот эффект получил название анизотропного магнитосопротивления (АМС).

Анимация о графиках, связанных с открытием гигантского магнитосопротивления .

Диск Корбино. При выключенном магнитном поле в проводящем кольце течет радиальный ток благодаря батарее, включенной между (бесконечными) краями проводимости. Когда магнитное поле вдоль оси включено (B указывает прямо за экран), сила Лоренца вызывает круговую составляющую тока, и сопротивление между внутренним и внешним краями увеличивается. Это увеличение сопротивления под действием магнитного поля называется магнитосопротивлением .

В 2007 году Альберт Ферт и Петер Грюнберг были совместно удостоены Нобелевской премии за открытие гигантского магнитосопротивления .

Геометрическое магнитосопротивление

Пример магнитосопротивления вследствие прямого действия магнитного поля на электрический ток можно изучить на диске Корбино (см. рисунок).Он состоит из проводящего кольца с идеально проводящими краями. Без магнитного поля батарея пропускает радиальный ток между ободами. Когда прикладывается магнитное поле, перпендикулярное плоскости кольца (либо внутрь страницы, либо из нее), также течет круговая составляющая тока из-за силы Лоренца . Первоначальный интерес к этой проблеме начался с Больцмана в 1886 году и независимо был повторно исследован Корбино в 1911 году.

В простой модели, если предположить, что реакция на силу Лоренца такая же, как и на электрическое поле, скорость носителя v определяется выражением:

$\mathbf {v} =\mu \left(\mathbf {E} +\mathbf {v\times B} \right),\$

где ц — подвижность носителей. Решая скорость, находим:

$\mathbf {v} ={\frac {\mu }{1+(\mu B)^{2}}}\left(\mathbf {E} +\mu \mathbf {E\times B} +\mu ^{2}(\mathbf {B\cdot E} )\mathbf {B} \right)={\frac {\mu }{1+(\mu B)^{2}}}\left(\mathbf {E} _{\perp }+\mu \mathbf {E\times B} \right)+\mu \mathbf {E} _{\parallel },\$

где очевидно эффективное снижение подвижности из-за B -поля (для движения, перпендикулярного этому полю). Электрический ток (пропорциональный радиальной составляющей скорости) будет уменьшаться с увеличением магнитного поля и, следовательно, сопротивление устройства будет увеличиваться. Крайне важно, что этот магниторезистивный сценарий сильно зависит от геометрии устройства и линий тока и не зависит от магнитных материалов.

В полупроводнике с одним типом носителей магнитосопротивление пропорционально (1 + ( μB ) ² ), где µ — подвижность полупроводника (единицы m ² ·V ⁻¹ ·с ⁻¹ или Т  ⁻¹ ) и B — магнитное поле (единицы тесла ). Антимонид индия , пример полупроводника с высокой подвижностью, может иметь подвижность электронов выше 4 м. ² ·V ⁻¹ ·с ⁻¹ при 300 К. Так, например, в поле 0,25 Тл увеличение магнитосопротивления составит 100%.

Анизотропное магнитосопротивление (AMR)

Здесь показано сопротивление тонкой пленки пермаллоя в зависимости от угла приложенного внешнего поля.

Эксперименты Томсона являются примером УПП, свойство материала, при котором зависимость электрического сопротивления от угла между направлением электрического тока и направлением намагничивания наблюдается . Эффект возникает в большинстве случаев вследствие одновременного действия намагниченности и спин-орбитального взаимодействия (несмотря на исключения, связанные с неколлинеарным магнитным порядком, см. раздел 4(б) обзора ), и его подробный механизм зависит от материала. Это может быть связано, например, с большей вероятностью sd-рассеяния электронов в направлении намагничивания (которое контролируется приложенным магнитным полем). Конечный эффект (в большинстве материалов) заключается в том, что электрическое сопротивление имеет максимальное значение, когда направление тока параллельно приложенному магнитному полю. AMR новых материалов исследуется, и в некоторых ферромагнитных соединениях урана (но в остальном вполне обычных) наблюдались величины до 50%. Совсем недавно были идентифицированы материалы с экстремальной AMR. обусловленный нетрадиционными механизмами, такими как переход металл-изолятор, вызванный вращением магнитных моментов (при этом для некоторых направлений магнитных моментов система является полуметаллической, для других направлений открывается зазор).

В поликристаллических ферромагнетиках АМР может зависеть только от угла $\varphi =\psi -\theta$ между намагниченностью и направлением токаи (пока удельное сопротивление материала может быть описано тензором второго ранга), оно должно следовать

$\rho (\varphi )=\rho _{\perp }+(\rho _{\parallel }-\rho _{\perp })\cos ^{2}\varphi$

где $\rho$ - (продольное) удельное сопротивление пленки и $\rho _{\parallel ,\perp }$ сопротивления для $\varphi =0$ и $90^{\circ }$, соответственно. С продольным сопротивлением связано также поперечное сопротивление, названное (несколько сбивчиво [1] ) плоским эффектом Холла. В монокристаллах удельное сопротивление $\rho$ зависит также от $\psi ,\theta$ индивидуально.

Для компенсации нелинейных характеристик и невозможности определения полярности магнитного поля в датчиках используется следующая конструкция. Он состоит из полосок алюминия или золота, помещенных на тонкую пленку пермаллоя (ферромагнитного материала, проявляющего эффект АМР), наклоненную под углом 45°. Такая структура заставляет ток течь не по «легким осям» тонкой пленки, а под углом 45°. Зависимость сопротивления теперь имеет постоянное смещение, линейное вокруг нулевой точки. Из-за своего внешнего вида этот тип датчика называется « парикмахерским столбом ».

Эффект AMR используется в широком спектре датчиков для измерения магнитного поля Земли (электронный компас ), для измерения электрического тока (путем измерения магнитного поля, создаваемого вокруг проводника), для обнаружения дорожного движения, а также для измерения линейного положения и угла. Крупнейшими производителями датчиков AMR являются Honeywell , NXP Semiconductors , STMicroelectronics и Sensitec GmbH .

В качестве теоретических аспектов И.А. Кэмпбелл, А. Ферт и О. Джауль (CFJ) получили выражение отношения AMR для сплавов на основе Ni, используя двухтоковую модель с ss- и sd-процессами рассеяния, где s — электрон проводимости, а d — 3d-состояния со спин-орбитальным взаимодействием. Коэффициент AMR выражается как

${\frac {\Delta \rho }{\rho }}={\frac {\rho _{\parallel }-\rho _{\perp }}{\rho _{\perp }}}=\gamma (\alpha -1),$

с $\gamma =(3/4)(A/H)^{2}$ и $\alpha =\rho _{\downarrow }/\rho _{\uparrow }$, где $A$, $H$, и $\rho _{\sigma }$ – константа спин-орбитального взаимодействия (так называемая $\zeta$), обменное поле и удельное сопротивление для спина $\sigma$, соответственно. Кроме того, недавно Сатоши Кокадо и др. получили общее выражение отношения AMR для 3d ферромагнетиков переходных металлов путем расширения теории CFJ до более общей. Общее выражение можно применить и к полуметаллам.

См. также

• Гигантское магнитосопротивление
• Туннельное магнитосопротивление
• Колоссальное магнитосопротивление
• Чрезвычайное магнитосопротивление
• Магниторезистивная оперативная память

Сноски

• 1. (Обычный) эффект Холла меняет знак при изменении магнитного поля и представляет собой орбитальный эффект (не связанный со спином), обусловленный силой Лоренца. Трансверсальный AMR (планарный эффект Холла ) не меняет знак и обусловлено спин-орбитальным взаимодействием .