Гига́нтское магнетосопротивле́ние, Гига́нтское магнитосопротивление, , эффект разноспинового магнитосопротивления (РСМС), ГМС (, ) — квантовомеханический эффект, наблюдаемый в тонких металлических плёнках, состоящих из чередующихся ферромагнитных и проводящих немагнитных слоёв. Эффект состоит в существенном изменении электрического сопротивления такой структуры при изменении взаимного направления намагниченности соседних магнитных слоёв. Направлением намагниченности можно управлять, например, приложением внешнего магнитного поля. В основе эффекта лежит рассеяние электронов, зависящее от направления спина. За открытие гигантского магнетосопротивления в 1988 году физики Альбер Ферт (Университет Париж-юг XI) и Петер Грюнберг (Исследовательский центр Юлих) были удостоены Нобелевской премии по физике в 2007 году.

Основная сфера применения эффекта — датчики магнитного поля, используемые для считывания информации в жёстких дисках, биосенсорах, устройствах МЭМС и др. Обладающие гигантским магнетосопротивлением многослойные структуры применялись в магниторезистивной оперативной памяти в качестве ячеек, хранящих один бит информации.

В литературе термин гигантское магнетосопротивление иногда путается с колоссальным магнетосопротивлением (КМС) ферро- и антиферромагнитных полупроводников, не связанным с многослойной структурой.

Математическая формулировка Магнетосопротивлением называют зависимость электрического сопротивления образца от величины внешнего магнитного поля. Численно его характеризуют величиной

где  — сопротивление образца в отсутствие магнитного поля, а  — его сопротивление в магнитном поле с напряжённостью . На практике также применяются альтернативные формы записи, отличающиеся знаком выражения и использующие удельное электрическое сопротивление. Иногда используют отношение изменения сопротивления к его значению в нулевом поле.

Термин «гигантское магнетосопротивление» указывает на то, что величина для многослойных структур значительно превосходит анизотропное магнитное сопротивление, как правило, составляющее не более нескольких процентов.

История открытия

Эффект ГМС был экспериментально открыт в 1988 году двумя научными коллективами независимо друг от друга: лабораториями Альбера Ферта и Петера Грюнберга. Практическая значимость этого открытия была отмечена присуждением Ферту и Грюнбергу Нобелевской премии по физике в 2007 году.

Предыстория Первые математические модели, описывающие влияние намагниченности материалов на подвижность носителей тока в них благодаря наличию спина, появились ещё в 1936 году. Экспериментальные факты, свидетельствующие о потенциальной возможности усиления эффекта зависимости сопротивления от магнитного поля (то есть увеличения ), были известны с 1960-х годов. К концу 1980-х годов физиками было хорошо изучено анизотропное магнитное сопротивление, но величина для этого эффекта не превышала нескольких процентов. Практическое исследование методов увеличения стало возможным с появлением методов наподобие молекулярно-лучевой эпитаксии, позволяющих изготовлять тонкие многослойные плёнки толщиной в единицы нанометров.

Эксперимент и его объяснение Ферт и Грюнберг изучали эффекты, связанные с электрическим сопротивлением структур, включающих в себя ферромагнитные и неферромагнитные материалы. В частности, Ферт занимался проводимостью многослойных плёнок, а Грюнберг в 1986 году открыл обменное взаимодействие антиферромагнитного характера в плёнках Fe/Cr.

В работе, в которой было заявлено об открытии эффекта, исследовалось магнетосопротивление (001)Fe/(001)Cr сверхрешёток. В этом эксперименте на объёмноцентрированную кубическую решётку (001)GaAs в высоком вакууме наносились слои железа и хрома при температуре подложки около 20 °C.

При толщине слоёв железа в 3 нм и варьировании толщины немагнитной прослойки из хрома между ними от 0,9 до 3 нм увеличение толщины прослоек хрома в сверхрешётке ослабляло антиферромагнитную связь между слоями железа и поле размагничивания. Последнее также уменьшалось при увеличении температуры от 4,2 К до комнатной. Изменение толщины немагнитных прослоек приводило к существенному уменьшению остаточной намагниченности в петле гистерезиса. Была показана сильная зависимость сопротивления образца (изменение до 50 %) от величины внешнего магнитного поля при температуре 4,2 К. В статье Ферта 1988 года новый эффект был назван гигантским магнетосопротивлением, чтобы подчеркнуть его значительную величину по сравнением с анизотропным магнетосопротивлением.

Авторы открытия также высказали предположение, что в основе эффекта лежит так называемое спин-зависимое рассеяние электронов в сверхрешётке (зависимость сопротивления слоёв от взаимной ориентации их намагниченности и направления спинов электронов). Теоретическое описание ГМС для различных направлений тока было сделано в течение последующих нескольких лет. Направление тока вдоль слоёв (так называемая CIP-геометрия,  — ток в плоскости) в классическом приближении было исследовано Р. Кэмли в 1989 году, а в квантовом — П. Леви в 1990 году. Теория ГМС для тока, направленного перпендикулярно слоям (CPP-геометрия,  — ток перпендикулярно плоскости), известная как теория Валета — Ферта, была опубликована в 1993 году. В то же время практический интерес представляет CPP-геометрия, так как датчики на его основе, впервые предложенные Р. Ротмайером в 1994 году, демонстрируют бо́льшую чувствительность, чем датчики на основе CIP.

Теория Основные положения Спин-зависимое рассеяние

Электрическое сопротивление образца зависит от многих факторов, среди которых в магнитоупорядоченных материалах существенную роль играет рассеяние электронов на магнитной подрешётке кристалла, то есть совокупности кристаллографически эквивалентных атомов с ненулевым атомным магнитным моментом, образующих собственную кристаллическую решётку. Рассеяние зависит от ориентации спина электрона по отношению к магнитным моментам атомов. Обычно предполагается, что электроны проводимости минимально взаимодействуют с атомами, чей магнитный момент имеет параллельное их спину направление, и максимально, если они антипараллельны. Взаимодействие также будет сильным в парамагнитном состоянии, в котором магнитные моменты атомов направлены хаотически, без выделенного направления намагниченности.

Для таких хороших проводников, как золото или медь, уровень Ферми находится внутри зоны sp, а зона d полностью заполнена. В ферромагнетиках наблюдается иная ситуация. В них зависимость взаимодействия электронов с атомами от направления их спинов связана с заполненностью зоны, отвечающей за магнитные свойства (3d для таких ферромагнитных металлов, как железо, никель или кобальт). d-зона ферромагнетиков является расщеплённой, так как она содержит различное количество электронов со спинами, направленными «вверх» и «вниз». Это является причиной различия в плотности электронных состояний на уровне Ферми для спинов, направленных в противоположные стороны. Тут говорят о неосновном направлении спинов электронов () для той части зоны d, которая заполнена меньше (например, где спины направлены вниз), и основном для второй её части (), которая оказывается заполненной полностью (спины направлены вверх). Уровень Ферми для основного направления спина находится внутри зоны sp, и их движение в ферромагнетике подобно движению электронов в немагнитном металле. Для неосновного направления спинов электронов sp- и d-зоны оказываются гибридизированными, а уровень Ферми лежит внутри зоны d. Гибридизированная зона spd ферромагнетиков характеризуется высокой плотностью состояний, что проявляется как уменьшение длины свободного пробега зонами электронов с неосновным направлением спина по сравнению с основным. В никеле, легированном кобальтом, отношение (для электронов с противоположными направлениями спина) может увеличиваться до 20 или понижаться до 0,3 при легировании хромом.

Согласно теории Друде, проводимость пропорциональна длине свободного пробега и знание позволяет оценить соотношение проводимостей для этих двух групп носителей тока. Типичное значение длины свободного пробега электронов в тонких металлических плёнках лежит в интервале от нескольких единиц до нескольких десятков нанометров. Электрон «помнит» направление спина на так называемой длине спиновой релаксации (ещё называемой длиной спиновой диффузии), которая может значительно превосходить длину свободного пробега. Она определяет эффективность спин-поляризованного транспорта электронов. Когда наблюдается зависимость электрического сопротивления от направления спина носителя тока, говорят о спин-зависимом распространении электронов. Спин-зависимое рассеяние в ферромагнетиках происходит при переходах электронов проводимости между зонами нерасщеплённой 4s и расщеплённой 3d.

Существуют материалы, для которых более слабым является взаимодействие между электронами и атомами, чьи спины и магнитные моменты антипараллельны. Комбинацией обоих типов материалов можно получить так называемый инверсный эффект ГМС. Поэтому в случаях, когда конкретный механизм взаимодействия не принципиален, для сохранения общности подхода говорят о проводимости для электронов с основным и неосновным направлениями спина, которым соответствуют бо́льшая и меньшая плотность электронных состояний. Определение соотношения между проводимостями или удельными сопротивлениями для этих двух групп электронов является достаточным для построения феноменологической теории.

CIP и CPP геометрии подключения

Магнитную сверхрешётку можно включить в электрическую цепь двумя способами. При так называемой CIP-геометрии (, ток в плоскости), электрический ток распространяется вдоль слоёв сверхрешётки, а электроды расположены на одной стороне всей структуры. При геометрии CPP (, ток перпендикулярно плоскости) ток распространяется перпендикулярно слоям сверхрешётки, а электроды расположены по разные её стороны. CPP-геометрия характеризуется бо́льшими величинами ГМС (более чем в два раза по сравнению с CIP), но и представляет бо́льшие сложности для технической реализации.

Пропускание тока через магнитную сверхрешётку

Характеристики магнитной упорядоченности различны в сверхрешётках с ферромагнитным (ФСР) и антиферромагнитным (АСР) взаимодействием между слоями. В первой направления намагниченности в различных ферромагнитных слоях в отсутствие приложенного поля одинаковы, во второй противоположные направления чередуются. Распространяясь через ФСР, электроны с антипараллельным направлением спина по отношению к намагниченности решётки практически не будут рассеиваться, а электроны со спином, сонаправленным с намагниченностью слоёв, будут испытывать рассеяние. При прохождении АСР рассеиваться будут электроны с любым направлением спинов: акты рассеяния для каждого отдельно выбранного электрона будут иметь место при прохождении слоя с намагниченностью, сонаправленной его спину. Так как величина сопротивления образца возрастает с ростом количества актов рассеяния, сопротивление АСР будет выше, чем ФСР.

Для построения устройств, использующих эффект ГМС, необходимо иметь возможность динамически переключать состояние решётки между состояниями с параллельной или антипараллельной намагниченностью слоёв. В первом приближении плотность энергии взаимодействия двух ферромагнитных слоёв, разделённых немагнитной прослойкой, пропорциональна скалярному произведению их намагниченностей:

Зависимость коэффициента от толщины немагнитной прослойки описывается осциллирующей функцией. Поэтому может менять и величину, и знак. Если подобрать таким образом, что основным будет антипараллельное состояние, то переключение сверхрешётки из антипараллельного состояния (высокое сопротивление) в параллельное (низкое сопротивление) будет происходить под воздействием внешнего поля. Полное сопротивление структуры можно представить в виде

где  — сопротивление ФСР,  — инкремент ГМС,  — угол между намагниченностями соседних слоёв.

Математическое описание