Открытие и физические механизмы ГМС

Основные принципы

Гигантское магнитосопротивление (ГМС, Giant Magnetoresistance, GMR) представляет собой эффект значительного изменения электрического сопротивления многослойных структур при изменении ориентации магнитных моментов ферромагнитных слоев, разделённых немагнитными проводниками. Ключевым физическим механизмом ГМС является спин-зависимое рассеяние носителей заряда, в котором проводимость для электронов с разными ориентациями спина отличается.

В структурах типа FM/NM/FM (ферромагнит/немагнит/ферромагнит) сопротивление зависит от взаимной ориентации намагниченности ферромагнитных слоев:

• Параллельная ориентация спинов (P): сопротивление минимальное, так как электроны с определённым спином проходят через оба ферромагнитных слоя с меньшими рассеяниями.
• Антипараллельная ориентация спинов (AP): сопротивление максимальное, так как электроны с выбранным спином встречают сильное рассеяние в одном из слоёв.

Эта зависимость обеспечивает наблюдаемое изменение сопротивления при приложении внешнего магнитного поля.

Модель двух спиновых каналов

Для количественного описания ГМС используется модель двух спиновых каналов. В ней проводимость носителей с противоположным спином рассматривается как два параллельных электрических канала с различными проводимостями:

$$ G = G_\uparrow + G_\downarrow, \quad R = \frac{1}{G} $$

где G_↑ и G_↓ — проводимости для электронов с ↑ и ↓ спином соответственно. Ключевой момент: рассеяние спинов в ферромагнитных слоях различно, что приводит к спиновой поляризации тока и различной сопротивляемости при изменении ориентации слоев.

Спин-зависимое рассеяние

Механизмы рассеяния можно разделить на:

1. Внутриферромагнитное рассеяние: электроны сталкиваются с магнитными дефектами или колебаниями спина, при этом вероятность рассеяния зависит от спина относительно локальной намагниченности.
2. На границах раздела FM/NM: возникает дополнительное рассеяние, которое тоже является спин-зависимым. Сопротивление на границе выше для антипараллельного спина, чем для параллельного.
3. Анизотропное спин-зависимое рассеяние: обусловлено взаимодействием спина электрона с кристаллографической анизотропией ферромагнетика.

Эти механизмы совместно определяют величину ГМС и её температурную зависимость.

Модельное описание ГМС

В простейшем приближении сопротивление многослойной структуры можно выразить через эффективные проводимости:

$$ R_\text{AP} = \frac{R_\uparrow + R_\downarrow}{2}, \quad R_\text{P} = \frac{2 R_\uparrow R_\downarrow}{R_\uparrow + R_\downarrow} $$

где R_↑ и R_↓ — сопротивления для каналов с ↑ и ↓ спином. Отсюда определяется относительная величина ГМС:

$$ \text{GMR} = \frac{R_\text{AP} - R_\text{P}}{R_\text{P}} $$

Влияние толщины и материала слоев

• Толщина немагнитного слоя (NM): оптимальная толщина обеспечивает независимость магнитных слоев и максимальное изменение сопротивления. При слишком тонких слоях возникает обменная связь, уменьшающая эффект ГМС.
• Толщина ферромагнитного слоя (FM): влияет на спиновую поляризацию тока. Более тонкие слои увеличивают чувствительность к внешнему полю, но могут терять магнитную однородность.
• Материал слоев: железо, кобальт, никель и их сплавы обеспечивают высокую спиновую поляризацию; медь, серебро, золото — как немагнитные разделители с малым сопротивлением и слабым рассеянием спинов.

Температурная зависимость и динамика спина

ГМС чувствительно к температуре из-за усиления спин-флуктуаций и уменьшения длины спиновой диффузии. С ростом температуры увеличивается спин-рассеяние, что приводит к снижению амплитуды эффекта. Динамические аспекты включают спин-релаксацию, определяемую временем жизни спина τ_s и длиной спиновой диффузии $\lambda_s = \sqrt{D \tau_s}$, где D — коэффициент диффузии. Если толщина немагнитного слоя превышает λ_s, эффективность спиновой передачи снижается.

Роль границ и интерфейсов

Границы FM/NM и дефекты кристаллической решётки играют ключевую роль в реальных структурах. Спин-зависимое рассеяние на границах часто превышает внутреннее рассеяние в слоях, поэтому качество интерфейсов критически влияет на величину ГМС. Современные технологии эпитаксиального роста и напыления позволяют минимизировать несовершенства и достичь максимальных эффектов.

Электронная структура и спиновая фильтрация

Эффект ГМС тесно связан с электронной структурой ферромагнетиков: различие плотности состояний для спинов ↑ и ↓ на уровне Ферми обеспечивает селективное прохождение электронов. Это явление известно как спиновая фильтрация. В идеальных условиях один канал проводимости может доминировать, что максимизирует сопротивление в антипараллельной конфигурации.