Магнетосопротивление

Магнетосопротивление — это физическое явление, заключающееся в изменении электрического сопротивления проводника или полупроводника при воздействии внешнего магнитного поля. Оно обусловлено взаимодействием носителей заряда с магнитным полем и структурными особенностями материала. Магнетосопротивление проявляется как в металлических проводниках, так и в полупроводниках, а его величина и характер изменения сопротивления сильно зависят от типа носителей заряда, кристаллической структуры, дефектов и температуры.

Эффект магнетосопротивления широко используется в сенсорной технике, включая датчики положения, магнитные считывающие головки жестких дисков и современные элементы памяти типа MRAM.

Классическое магнетосопротивление

Классическая теория магнетосопротивления основана на законах движения зарядов в магнитном поле и теории дрейфа. В отсутствии магнитного поля скорость носителей заряда определяется только электрическим полем:

v⃗ = μE⃗,

где μ — подвижность носителей заряда. При наложении магнитного поля B⃗ на проводник движущиеся электроны испытывают силу Лоренца:

F⃗ = −e(v⃗ × B⃗),

что приводит к искривлению траектории электронов и увеличению их времени между столкновениями. В результате эффективная подвижность снижается, и сопротивление материала увеличивается.

Для изотропных металлов при слабых полях изменение сопротивления ΔR определяется соотношением:

$$ \frac{\Delta R}{R_0} = \alpha (\mu B)^2, $$

где α — коэффициент, зависящий от формы зоны Ферми и характера рассеяния, R0 — сопротивление при B = 0, μ — подвижность, а B — индукция магнитного поля.

Антисинхронное и анизотропное магнетосопротивление

Анизотропное магнетосопротивление (AMR) проявляется в ферромагнитных материалах и заключается в зависимости сопротивления от угла между направлениями тока и намагниченности. Физическая причина связана с влиянием спин-орбитального взаимодействия на рассеяние электронов:

R(θ) = R⟂ + (R∥ − R⟂)cos2θ,

где R∥ и R⟂ — сопротивления при токе, параллельном и перпендикулярном намагниченности, θ — угол между током и вектором намагниченности.

Гигантское магнетосопротивление (GMR) возникает в многослойных структурах с чередующимися слоями ферромагнетика и нормального металла. Различие в сопротивлении определяется спин-зависимым рассеянием:

  • Параллельная ориентация магнитных слоев → низкое сопротивление.
  • Антипараллельная ориентация → высокое сопротивление.

Эффект GMR используется в современных считывающих головках жестких дисков и спинтронных устройствах.

Туннельное магнетосопротивление (TMR) характерно для магнитных туннельных соединений, где сопротивление зависит от угла между намагниченностями двух ферромагнитных слоев через тонкий изолятор. Выражение сопротивления:

$$ R(\theta) = R_P \frac{1 + P_1 P_2 \cos\theta}{1 - P_1 P_2 \cos\theta}, $$

где P1 и P2 — поляризации спина ферромагнитных слоев, θ — угол между их намагниченностями, RP — сопротивление при параллельной ориентации.

Квантовое магнетосопротивление

В полупроводниках и низкоразмерных системах (двумерные электронные газы, нанопроволоки, графен) проявляется квантовое магнетосопротивление, когда сопротивление изменяется дискретно при сильных магнитных полях. Основные механизмы:

  • Шубников–де Хааза осцилляции: колебания сопротивления, вызванные квантизацией орбит электронов в магнитном поле.
  • Квантовый эффект Холла: формирование дискретных уровней Ландау, приводящих к точным ступенчатым значениям проводимости.

Эти эффекты крайне чувствительны к чистоте образца и температуре, проявляются при низких температурах и сильных полях.

Температурная зависимость магнетосопротивления

Сопротивление материала в магнитном поле зависит не только от поля, но и от температуры:

  1. Для металлов при повышении температуры увеличивается рассеяние на фононах, что приводит к уменьшению относительного эффекта магнетосопротивления.
  2. Для полупроводников влияние температуры двояко: повышение температуры увеличивает концентрацию носителей заряда, но одновременно усиливает их рассеяние. Для сильно легированных полупроводников эффект может уменьшаться с ростом температуры, а для низколионных — увеличиваться.

Применение магнетосопротивления

  1. Датчики магнитного поля: используются анизотропные и гигантские эффекты для точного измерения малых полей.
  2. Жесткие диски и спинтроника: GMR и TMR применяются в современных считывающих головках и памяти MRAM.
  3. Физика низкоразмерных систем: изучение квантовых эффектов в наноструктурах и двумерных материалах, таких как графен и полупроводниковые гетероструктуры.

Эффект магнетосопротивления служит не только инструментом для практических устройств, но и мощным способом исследования электронных свойств материалов, их структуры и взаимодействий между спином и орбитой.

Оглавление