Introducción básica a la magnetorresistencia gigante
El efecto de magnetorresistencia gigante (GMR) se refiere al fenómeno de que hay un cambio significativo en comparación con el momento en que no hay campo magnético externo. Generalmente se define como gmr = donde (h) es el. resistencia del material bajo la acción del campo magnético h Resistividad (0) se refiere a la resistividad del material sin la acción de un campo magnético externo. Se han utilizado ampliamente discos duros de computadora pequeños y de gran capacidad desarrollados basándose en este efecto.
Los metales y aleaciones magnéticos generalmente tienen magnetorresistencia. La llamada magnetorresistencia se refiere al fenómeno del cambio de resistencia bajo un determinado campo magnético. La llamada magnetorresistencia gigante significa que la resistencia disminuye bruscamente bajo un determinado campo magnético. Generalmente, la magnitud de la disminución es aproximadamente 10 veces mayor que el valor de magnetorresistencia de los metales magnéticos y materiales de aleación ordinarios.
Al conducir electricidad, los electrones no se mueven en línea recta a lo largo del campo eléctrico, sino que chocan constantemente con los átomos en la red cristalina (también conocido como dispersión). Después de cada dispersión, los electrones cambian su dirección de movimiento. El movimiento total es la superposición de la aceleración direccional de los electrones por el campo eléctrico y este movimiento de dispersión aleatorio. La distancia promedio recorrida por un electrón entre dos dispersiones se llama camino libre medio. Si la probabilidad de dispersión del electrón es pequeña, el camino libre medio es largo y la resistividad es baja. En la ley de resistencia R=ρl/S, la resistividad ρ se considera constante y no tiene nada que ver con la escala geométrica del material. Esto ignora el efecto límite. Cuando la escala geométrica del material es tan pequeña como la nanoescala y sólo unos pocos átomos de espesor (por ejemplo, el diámetro de un átomo de cobre es de aproximadamente 0,3 nm), la probabilidad de que los electrones se dispersen en el límite aumenta considerablemente y se produce una reducción. En espesor y resistencia se pueden observar claramente aumentos de velocidad.
Además de transportar cargas, los electrones también tienen características de espín. El momento magnético de espín tiene dos posibles orientaciones, paralela o antiparalela al campo magnético externo. Ya en 1936, existía una teoría que señalaba que en los metales de transición, los electrones cuyo momento magnético de espín es paralelo a la dirección del campo magnético del material tienen menos probabilidades de dispersarse que los electrones cuyo momento magnético de espín es antiparalelo a la dirección del campo magnético del material. campo magnético del material. La corriente total es la suma de los dos tipos de corrientes de espín; la resistencia total es la resistencia paralela de los dos tipos de corrientes de espín. Este es el llamado modelo de dos corrientes.
En la estructura de magnetorresistencia gigante multicapa, cuando no hay campo magnético externo, las capas superior e inferior de materiales magnéticos están acopladas de forma antiparalela (antiferromagnética). Después de aplicar un campo magnético externo lo suficientemente fuerte, las direcciones de las dos películas ferromagnéticas son consistentes con la dirección del campo magnético externo. El campo magnético externo cambia las dos películas ferromagnéticas de un acoplamiento antiparalelo a un acoplamiento paralelo. La dirección del flujo de corriente es paralela a la superficie de la membrana en la mayoría de las aplicaciones.
Hay dos tipos de dispersión relacionada con el espín que contribuyen al efecto de magnetorresistencia gigante.
Primero, dispersión en la interfaz. Cuando no existe un campo magnético externo, los campos magnéticos de las películas ferromagnéticas superior e inferior están en direcciones opuestas Independientemente del estado de espín inicial de los electrones, al entrar de una película ferromagnética a otra, se enfrentarán a un cambio de estado (paralelo). -antiparalelo o antiparalelo-paralelo), los electrones tienen una alta probabilidad de dispersarse en la interfaz, lo que corresponde a un estado de alta resistencia. Cuando hay un campo magnético externo, las direcciones del campo magnético de las películas ferromagnéticas superior e inferior son consistentes y la probabilidad de que los electrones se dispersen en la interfaz es muy pequeña, lo que corresponde a un estado de baja resistencia.
En segundo lugar, la dispersión en la película ferromagnética. Incluso si la dirección de la corriente es paralela a la superficie de la película, los electrones tienen una cierta probabilidad de viajar entre las películas ferromagnéticas superior e inferior debido a la dispersión aleatoria. Cuando no hay un campo magnético externo, los campos magnéticos de las películas ferromagnéticas superior e inferior están en direcciones opuestas. Independientemente del estado de espín inicial de los electrones, experimentarán dos procesos de probabilidad de dispersión pequeña (paralela) y probabilidad de dispersión alta (. antiparalelo) durante el proceso de viaje. La conexión en paralelo de una resistencia de corriente en forma de espín es similar a la conexión en paralelo de dos resistencias de valor medio, correspondientes a un estado de alta resistencia. Cuando hay un campo magnético externo, las direcciones del campo magnético de las películas ferromagnéticas superior e inferior son consistentes. Los electrones con espines paralelos tienen una pequeña probabilidad de dispersarse, mientras que los electrones con espines antiparalelos tienen una alta probabilidad de dispersarse. Dos tipos de corrientes de espín son similares, una resistencia pequeña y una grande. Una conexión en paralelo de resistencias corresponde a un estado de baja resistencia.