лекция 5. ГМС

Лекция № 5
Спинтроника
(продолжение)
Гигантское
магнитосопротивление
(ГМС)
ГМС
Альберт Ферт (р.1938) и Питер Грюнберг (р.1939)
Нобелевские лауреаты по физике 2007 года
Нобелевская
премия по
физике 2007 года
была
присуждена двум
ученым:
Альберту Ферту
и Питеру
Грюнбергу с
формулировкой
«за открытие
эффекта
гигантского
магнитосопрот
ивления».
ГМС
• Эффект состоит в том, что
сопротивление структуры, измеренное
при токе, текущем в плоскости системы,
зависит от взаимного направления
намагниченности соседних магнитных
слоев. Так, при параллельной
намагниченности слоев сопротивление,
как правило, низкое, а при
антипараллельном – высокое.
ГМС
Относительное изменение сопротивления
системы составляет от 5 до 50% в зависимости от
материалов, количества слоев и температуры. Эта
величина на порядок больше, чем у предшественника
эффекта гигантского магнитосопротивления – эффекта
анизотропного магнитосопротивления, чем и объясняется
название первого.
В основе эффекта ГМС лежат два важных явления.
Первое состоит в том, что в ферромагнетике
электроны с одним направлением спина (или одной
спиновой поляризации, как принято говорить)
рассеиваются гораздо сильнее, чем электроны
противоположной поляризации (выделенное
направление задает намагниченность образца).
ГМС
• Второе явление состоит в том, что
электроны, выходя из одного
ферромагнитного слоя, попадают в
другой, сохраняя свою поляризацию.
Таким образом, в случае параллельной
конфигурации слоев те из носителей,
которые рассеваются меньше, проходят
все структуру без рассеяния; а носители
противоположной поляризации
испытывают сильное рассеяние в
каждом из магнитных слоев
ГМС
• В случае же антипараллельной конфигурации
системы (см. рис. б), носители обеих
поляризаций испытывают сильное рассеяние
в одних слоях и слабое в других.
Сопротивление системы можно условно
изобразить в виде двух соединенных
параллельно наборов сопротивлений,
соответствующих двум спиновым
поляризациям; при этом каждое из
сопротивлений в этих наборах соответствует
большому или малому рассеянию носителей
данной поляризации в конкретном магнитном
слое. Такие схемы для параллельной и
антипараллельной конфигураций слоев
изображены внизу рисунков а, б.
ГМС
а)
б)
Магнитные сверхрешетки, на которых наблюдается эффект ГМС.
Схематично изображен транспорт электронов противоположных
поляризаций в случае.
а) параллельной и б) антипараллельной ориентаций намагниченностей
магнитных слоев.
В нижних частях рисунков изображены эквивалентные электрические
схемы, соответствующие этим двум конфигурациям.
ГМС
•
Для функционирования устройств на основе эффекта ГМС важной является
возможность создания антипараллельной конфигурации слоев (см. рис. 2б). Такие
конфигурации удается получать при нулевом поле благодаря наличию так
называемого межслойного обменного взаимодействия. Оказывается, энергия
Eint.l. взаимодействия двух магнитных слоев с намагниченностями M1 м M2,
разделенных немагнитной прослойкой толщиной ds, имеет в первом приближении
вид:
•
Eint.l=-J1(M1*M2)
V
•
•
•
(1)
1
M 
V
n
P
i 1
mi
-малый объем
Pmi- магнитный момент i –того атома (молекулы)
n – число атомов в объеме V
При этом коэффициент J1 зависит от толщины немагнитной прослойки ds
осциллирующим образом, так, что при одних значениях ds J1 является
положительной, а при других – отрицательной величиной. Соответственно, можно
подобрать толщину немагнитных слоев так, чтобы энергетически выгодной была
антипараллельная конфигурация слоев. Интересно, что именно исследованием
межслойного взаимодействия в многослойных магнитных структурах занимались
первоначально открыватели эффекта, прежде чем обнаружили новое
необычное их свойство – гигантское магнитосопротивление.
ГМС межслойное обменное
взаимодействие
• Впервые межслойное обменное
взаимодействие в системах, в которых
магнитные слои разделены немагнитным
проводником, было обнаружено
экспериментально в 1986. Было обнаружено,
что в случае, когда ферромагнитные слои
разделены проводящим немагнитным слоем,
зависимость амплитуды обменного
взаимодействия от толщины разделяющего
слоя имеет осциллирующий характер и
спадает по степенному закону.
• Одной из первых теорий, рассматривающих обмен
через барьерный слой, была теория, основанная на
вычислении спинового тока. В том случае, если
ферромагнетики разделены барьером, величина
обменного взаимодействия спадает экспоненциально
с толщиной не осциллируя; при этом знак обменного
взаимодействия определяется зонной структурой
ферромагнетиков и барьера. Единая теория для
межслойного обменного взаимодействия, основанная
на вычислении полной энергии системы для
различных магнитных конфигураций, в пределе
слабого рассеяния дает результат.
• Известно, что возмущение системы электронов светом или
электрическим полем может привести к возникновению
направленного потока частиц. Обычно при протекании
электрического тока переноса спина не происходит, поскольку
спины отдельных электронов ориентированы случайным
образом. Электрический ток сопровождается переносом спина,
если носители поляризованы, как, например, при инжекции
ориентированных по спину электронов из магнитного материала
в полупроводник. Кроме того, оказывается, что возможен и
чисто спиновый ток, т.е. перенос спина без переноса заряда в
отсутствие среднего спина свободных носителей. Такая
ситуация описывается неравновесным электронным
распределением, когда электроны со спином «вверх»
двигаютсяпреимущественно в одну сторону, а эквивалентное
количество частиц со спином «вниз» двигается в
противоположную сторону.
• В полупроводниках спиновые токи могут быть
индуцированы различными способами. Спиновый ток
может быть вызван протеканием электрического тока
в системах со спин - зависимым рассеянием. Спинорбитальное взаимодействие при рассеянии
носителей заряда на примесях, дефектах
кристаллической решетки, фононах и т.д., приводит к
тому, что электроны с противоположными спинами
отклоняются при рассеянии преимущественно в
противоположные стороны. При протекании
электрического тока в результате многократного
рассеяния электронов в системе устанавливается
спиновый поток в направлении, перпендикулярном
электрическому току. Такой эффект получил
название спинового эффекта Холла.
• Спи́новый эффе́кт Хо́лла — эффект
отклонения электронов с антипараллельными
спинами к противоположным сторонам немагнитного
проводника при отсутствии внешнего магнитного
поля.
Спин зависимое рассеяние приводит к отклонению электронов с
противоположными спинами
• Спиновые токи могут возникать не
только в диффузионном режиме в
структурах со спин - зависимым
рассеянием, но и при баллистическом
транспорте электронов, например, в
туннельных структурах. В последнем
случае эффект связан с тем, что
туннельная прозрачность барьеров
зависит от ориентации спина и
направления волнового вектора.
• В то время, как осциллирующее обменное взаимодействие
через проводящий слой наблюдалось неоднократно, измерение
обменного взаимодействия через барьерный слой представляет
собой намного более сложную задачу, прежде всего, вследствие
малости амплитуды обмена. В немногих экспериментах
наблюдалось антиферромагнитное взаимодействие в
эпитаксиальной трехслойной структуре Fe/MgO/Fe и Fe/Si/Fe.
Несмотря на быстрое (близкое к экспоненциальному) убывание
амплитуды взаимодействия, для толщины MgO равной 6 А было
измерено антиферромагнитное взаимодействие величиной J«0.26 erg/cm2, такой же порядок имеет взаимодействие через
проводящий слой. Это противоречит теоретическим выводам,
согласно которым величина обменного взаимодействия должна
быть существенно меньше для слоя такой толщины и барьера
высотой несколько десятых eV. В многослойной системе
Fe/Si/Fe также было найдено сильное антиферромагнитное л
спаривание между намагниченностями слоев железа, ~ 2erg/cm
[96].
• Экспериментальное обнаружение и исследование
спиновых токов представляет собой отдельную
задачу. Поскольку чисто спиновый ток не
сопровождается переносом заряда и появлением
среднего спина, такое состояние не может быть
зафиксировано простыми электрическими или
оптическими методами. Одним из способов
обнаружения спинового тока является изучение
пространственного распределения спиновой
плотности, поскольку возникновение чисто спинового
тока приводит к накоплению носителей с
противоположными спинами на противоположных
сторонах образца.
Другим проявлением спиновых потоков является возникновение
среднего электрического тока, если носители поляризованы по
спину. При этом спиновая поляризация носителей может быть
создана различными методами: оптической ориентацией
циркулярно поляризованным светом, инжекцией ориентированных
по спину носителей из магнитных материалов, внешним
магнитным полем.
В последнем случае из-за зеемановского расщепления происходит
селективное заселение спиновых подзон — частиц с
фиксированным спином, например со спином «вверх», становится
больше. В результате, противоположно направленные потоки
электронов в спиновых подзонах перестают компенсировать друг
друга. В структуре возникает электрический ток, который может
быть измерен обычными методами.