Туннельное магнитосопротивление

Туннельное магнитосопротивление (ТМС, TMR — Tunnel Magnetoresistance) представляет собой явление изменения электрического сопротивления магнитного туннельного соединения в зависимости от взаимной ориентации намагниченности ферромагнитных слоев, разделенных тонким изолирующим барьером. В отличие от обычного магнитосопротивления, где влияние магнитного поля связано с рассеянием носителей заряда на магнитных неоднородностях, ТМС обусловлено квантовым туннелированием электронов через барьер.

Туннельный эффект реализуется в магнитных туннельных структурах (МТС), состоящих из двух ферромагнитных электродов, разделённых тонким слоем изолятора толщиной 1–3 нм, чаще всего из оксида алюминия (Al₂O₃) или MgO. Электрон, обладая волновой природой, имеет конечную вероятность «пройти» через потенциальный барьер, что невозможно с классической точки зрения.

Квантово-механическое описание

Для описания ТМС применяют формализм спин-зависимого туннелирования. Вероятность туннелирования зависит от плотности состояний на Ферми в каждом ферромагнитном слое и от ориентации спина электрона относительно намагниченности.

Электрон с определенным спином ↑ или ↓ туннелирует с вероятностью, пропорциональной плотности состояний в обоих электродах:

G ↑ ↑ ∝ D1↑D2↑,  G ↓ ↓ ∝ D1↓D2↓

где Diσ — плотность состояний для электрона со спином σ в i-м электроде. Суммарная проводимость зависит от параллельной или анти-параллельной ориентации намагниченности:

Gпараллель = G ↑ ↑ + G ↓ ↓,  Gанти-параллель = G ↑ ↓ + G ↓ ↑.

Коэффициент туннельного магнитосопротивления определяется как:

$$ \text{TMR} = \frac{R_\text{анти-параллель} - R_\text{параллель}}{R_\text{параллель}} = \frac{G_\text{параллель} - G_\text{анти-параллель}}{G_\text{анти-параллель}} $$

где R — сопротивление, G — проводимость.

Материалы и структура

Ферромагнитные электроды

Наиболее часто используются Co, Fe, Ni, а также сплавы, например, CoFe, FeCoB. Ключевое свойство — высокая степень спиновой поляризации на Ферми. Высокая спиновая поляризация повышает коэффициент TMR, приближая его к теоретическому максимуму, который для идеальных спиновых фильтров может достигать 100% и более.

Тонкий изолятор

Основные требования к туннельному барьеру:

  • Толщина 1–3 нм, обеспечивающая заметную вероятность туннелирования.
  • Однородная структура без дефектов (точечные дефекты снижают TMR).
  • Электрическая изоляция при малых толщинах.

Наиболее изученные материалы — Al₂O₃ и MgO. MgO особенно интересен благодаря эффекту селективного туннелирования для электронов с определенной симметрией волновой функции, что резко увеличивает TMR до 200–600% при комнатной температуре.

Механизм спиновой фильтрации

В МТС, где барьер MgO, происходит квантовое селективное туннелирование: электронные состояния с различной симметрией (Δ1, Δ5) имеют разные вероятности туннелирования. Электроны с симметрией Δ1 проходят через MgO легче, чем с Δ5, что усиливает спиновую поляризацию тока. Именно этот механизм позволил создать магнитные туннельные структуры с рекордным TMR.

Зависимость TMR от температуры и напряжения

TMR сильно зависит от температуры и приложенного напряжения:

  • Температура: с ростом температуры уменьшается спиновая поляризация ферромагнитных электродов, снижается TMR.
  • Напряжение: при увеличении приложенного напряжения появляются новые туннельные каналы с различной спиновой селективностью, что приводит к уменьшению TMR (эффект «bias dependence»).

Экспериментально наблюдается резкое снижение TMR при напряжениях выше 0.5–1 В.

Методы измерения

Основные методы исследования TMR:

  1. Прямое измерение сопротивления при параллельной и анти-параллельной ориентации магнитных слоев.
  2. Спектроскопия туннельных состояний: определение спиновой поляризации через I–V характеристики.
  3. Магнитометрия (VSM, SQUID) для точного измерения намагниченности слоев и контроля магнитного состояния структуры.

Применения туннельного магнитосопротивления

TMR является ключевым явлением для современных технологий спинтроники:

  • Магнитные RAM (MRAM): энергонезависимая память, где состояние 0 или 1 определяется ориентацией намагниченности ферромагнитных слоев.
  • Датчики магнитного поля: высокочувствительные сенсоры для автомобильной и промышленной электроники.
  • Чтение жестких дисков: магнитные головки на основе ТМС обеспечивают высокую плотность записи.

Современные достижения и перспективы

  1. Рост TMR при комнатной температуре: внедрение MgO барьеров и CoFeB электродов позволило увеличить TMR до 600–700%.
  2. Наноструктурные МТС: исследования одноатомных слоев и квантовых точек открывают новые пути управления спиновым током.
  3. Интеграция с кремниевой электроникой: создание гибридных устройств CMOS-спинтроника для энергоэффективной памяти и логики.

Эти достижения делают туннельное магнитосопротивление фундаментальным явлением для современной физики спинов и высокотехнологичной электроники.

Оглавление