Спиновые клапаны (spin valves) представляют собой многослойные магнитные структуры, в которых электрическое сопротивление зависит от взаимной ориентации намагниченности отдельных ферромагнитных слоев. Типичная структура спинового клапана включает два ферромагнитных слоя, разделённых немагнитным проводником: один слой фиксированного магнетизма (пиннинг-слой), а другой – свободный слой, намагниченность которого может изменяться под действием внешнего магнитного поля.
Ключевой принцип работы спинового клапана основан на спин-зависимой проводимости: электроны с разной ориентацией спина (спин вверх и спин вниз) рассеиваются с различной вероятностью в ферромагнитных слоях. Когда намагниченности обоих слоев параллельны, сопротивление минимально; при антипараллельной ориентации сопротивление увеличивается. Этот эффект получил название гигантского магнетосопротивления (ГМС, GMR).
Спиновая фильтрация Свободный слой действует как фильтр, пропускающий преимущественно электроны с определенным спином. Если спин-поляризация пиннинг-слоя совпадает с фильтрующим слоем, поток электронов проходит с минимальным рассеянием.
Спин-зависимое рассеяние В ферромагнитных материалах вероятность рассеяния зависит от спина носителя. Электроны с “правильным” спином встречают меньше дефектов и границ, тогда как электроны с противоположным спином рассеиваются интенсивнее.
Межслойная спиновая диффузия При прохождении через немагнитный слой спины частично теряют ориентированность из-за спин-флип процессов. Длина спиновой диффузии определяет, насколько эффективно электроны сохраняют спиновую поляризацию между слоями.
Классическая структура:
Современные модификации включают использование нескольких свободных и фиксированных слоев, внедрение спинорбитальных взаимодействий для улучшения контроля намагниченности и оптимизацию толщины слоев для максимального ГМС.
Жесткие диски и магнитная память Спиновые клапаны нашли широкое применение в считывающих головках HDD, где изменение сопротивления при изменении локальной намагниченности позволяет считывать данные с высокой плотностью.
MRAM (магнитная оперативная память) Использование ГМС или TMR (туннельного магнетосопротивления) позволяет создавать энергонезависимую память с высокой скоростью чтения и записи, низким энергопотреблением и долговечностью.
Спиновые датчики и биомедицинские приложения Спиновые клапаны используются для точного измерения магнитного поля в навигационных системах, а также для детекции магнитных наночастиц в медицинских диагностических устройствах.
Термомагнитные и спинтронные устройства нового поколения За счет спиновых токов спиновые клапаны применяются в генераторах спиновых волн, осцилляторах и устройствах для спинового логического вычисления.