Магнитные туннельные переходы (МТП, от англ. Magnetic Tunnel Junction, MTJ) представляют собой фундаментальные элементы спинтроники, основанные на квантовом туннелировании электронов через тонкий изолирующий барьер между двумя ферромагнитными слоями. Основное отличие МТП от обычных металлических контактов заключается в зависимости электрического сопротивления от относительной ориентации намагниченности ферромагнитных слоев — явлении, известном как туннельный магниторезистивный эффект (TMR, Tunnel Magnetoresistance).
Схематически МТП состоит из трех основных компонентов:
Электрическое сопротивление МТП сильно зависит от угла θ между векторами намагниченности слоев. Для параллельной ориентации слоев сопротивление минимально, для антипараллельной — максимально. Это ключевой механизм работы МТП в устройствах памяти и сенсорах.
Туннельный эффект в МТП описывается квантовой механикой: вероятность прохождения электрона через барьер зависит экспоненциально от толщины и высоты потенциального барьера. Для электронов с разными спинами барьер воспринимается по-разному из-за различий плотности состояний в ферромагнитных слоях.
Ключевое понятие — спиновая поляризация электронов в ферромагнитных слоях, характеризующая разницу плотности состояний для электронов с параллельным и антипараллельным направлением спина относительно намагниченности слоя:
$$ P = \frac{D_\uparrow - D_\downarrow}{D_\uparrow + D_\downarrow} $$
где D↑ и D↓ — плотности состояний для спинов “вверх” и “вниз”. Чем выше спиновая поляризация, тем сильнее TMR.
Для описания TMR применяются различные модели, включая модель Джуллиера (Jullière model), которая связывает величину TMR с поляризацией слоев:
$$ \text{TMR} = \frac{R_{AP} - R_P}{R_P} = \frac{2 P_1 P_2}{1 - P_1 P_2} $$
где RP и RAP — сопротивления при параллельной и антипараллельной ориентации, P1 и P2 — спиновые поляризации двух слоев. Модель Джуллиера обеспечивает качественное понимание явления, хотя для современных MgO-барьеров требуется учитывать симметрию электронных волн и эффекты когерентного туннелирования.
Для высоких TMR предпочтительно использовать материалы с высокой спиновой поляризацией, такие как CoFeB, Co, Fe, NiFe. CoFeB на MgO особенно эффективен благодаря когерентному туннелированию через Δ1-банды MgO, что обеспечивает TMR свыше 200% при комнатной температуре.
MgO стал стандартом для современных МТП благодаря:
Толщина барьера критична: при слишком тонком барьере возрастает утечка токов, при слишком толстом — туннелирование становится неэффективным.
Для фиксации жесткого слоя используют антиферромагнитные материалы (например, IrMn), создающие эффект “pinning” за счет обменной связи. Это предотвращает самопроизвольное переключение намагниченности жесткого слоя.
Традиционный способ управления свободным слоем — воздействие внешним магнитным полем. При изменении направления поля свободная намагниченность поворачивается, изменяя сопротивление.
Современные МТП активно используют STT, когда спин-поляризованный ток изменяет ориентацию свободного слоя без внешнего магнитного поля. Это позволяет создавать энергоэффективные ячейки памяти (STT-MRAM), работающие на токах ниже мА и с высокой скоростью переключения.
Для улучшения стабильности и уменьшения критического тока используют МТП с перпендикулярной магнитной анизотропией (PMA), когда намагниченность свободного слоя направлена перпендикулярно плоскости пленки. Это снижает объемную демагнитизацию и увеличивает плотность интеграции ячеек.
Ключевой аспект применения — высокая скорость отклика, надежность и способность к масштабированию, что делает МТП краеугольным камнем современной спинтроники.
МТП продолжают оставаться ключевым объектом фундаментальных исследований и технологических разработок в области высокоплотной памяти и спиновой электроники, сочетая квантовые эффекты и практическую функциональность.