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GMR-effect
Entdecktes Ergebnis von Fert et al.
Modell für den GMR-Effekt: Wenn die Magnetisierung in beiden Schichten entgegengesetzt ist (rechts), werden sowohl Spin-up als auch Spin-down Elektronen zerstreut werden; bei gleicher Magnetisierung (links) erfährt mindestens eine Elektronensorte nur einen geringen Widerstand.

Es GMR-Effekt (GMR der Englischriesiger Magnetowiderstand) ist ein quantenmechanische Wirkung, wo die elektrischer Wiederstand eines Materials nimmt unter dem Einfluss von a . stark ab Magnetfeld. Der Effekt tritt in dünnen Schichten alternierender ferromagnetisch und nichtmagnetisches Metall. Das Nobelpreis für Physik ab 2007 ging an Albert Fert und Peter Grünberg für ihre Entdeckung des GMR-Effekts. Der Effekt findet wichtige Anwendungen in magnetischen Speichermedium wie Festplatten. 1998 erhielt Peter Grünberg den Deutscher Zukunftspreis.

Entdeckung

GMR wurde unabhängig von zwei Gruppen in . entdeckt 1988. Ein Team unter der Leitung von Peter Grünberg von dem Forschungszentrum Jülich (dass es Patent Besitz) sah die Wirkung in einem Dreischichtsystem, Fe/Cr/Fe.[1]. Die Gruppe von Albert Fert von der Universität Paris-Sud war der erste, der einen wirklich großen Effekt in mehrschichtigen Systemen sah und war der erste, der die Prinzipien hinter dem Effekt richtig beschrieb.[2] Die Entdeckung von GMR gilt als die Geburtsstunde des Spintronik, Schalten mit Elektronenspin statt elektrischer Ladung. Grünberg und Fert haben für ihre Entdeckung und ihren Beitrag auf dem Gebiet der Spintronik mehrere renommierte Auszeichnungen erhalten, darunter 2007 den Nobelpreis für Physik.[3]

Ursache und Beschreibung der Wirkung

Der Effekt äußert sich in einer deutlichen Abnahme der elektrischer Wiederstand in der Nähe von a Magnetfeld. Dies lässt sich dadurch erklären, dass die Streuung von Elektronen zum Schnittstellen zwischen den verschiedenen Metallen hängt von der Spinne der Elektronen. Die genaue quantenmechanische Erklärung ist zu kompliziert, um sie hier zu reproduzieren, aber grob kann man sie wie folgt beschreiben.[4][5]

Die Leitung des elektrischen Stroms in einem Metall wird durch Elektronen bereitgestellt. In einem ferromagnetischen Material tritt spontane Magnetisierung auf, und man kann von zwei Arten von Elektronen sprechen, Spin-Up und Spin-Down (Spin-Up und Spin-Down), die auf ihrem Weg durch das Material jeweils einen deutlich unterschiedlichen Widerstand erfahren, je nach der Magnetisierung des Materials. Die Streuung der Elektronen an der Grenzfläche zwischen einem ferromagnetischen Metall und einem "normalen" Metall hängt auch von der Richtung des Elektronenspins ab.

Wenn die Magnetisierungsrichtung aufeinanderfolgender ferromagnetischer Schichten antiparallel (entgegengesetzt) ​​ist, bewegt sich ein Elektron mit einem bestimmten Spin beim Durchqueren einer ferromagnetischen Schicht relativ ungehindert, wird jedoch in der nächsten Schicht (und den Grenzflächen) stark gestreut. Sowohl die Spin-up- als auch die Spin-down-Elektronen erfahren daher einen relativ großen Widerstand.

Wenn sich jedoch die Magnetisierung aller ferromagnetischen Schichten irgendwie in die gleiche Richtung bewegt, wird eine der beiden "Arten" von Elektronen alle Schichten relativ ungehindert passieren und auf geringen Widerstand stoßen. Dieser Effekt kann groß genug sein, um den Gesamtwiderstand des Materials um mehrere zehn Prozent zu verringern.

Grundsätzlich sind auch andere Wirkungsbeiträge möglich und es ist auch möglich, dass der oben beschriebene Effekt nur gering ist (wenige Prozent). Aus diesen Gründen wird der hier beschriebene Effekt auch als Magnetowiderstand des Spinventils genannt: es ist eine Art Wasserhahn (Ventil) für elektrischen Strom, basierend darauf, dass die Streuung der Ladungsträger (Elektronen) von ihrem Spin abhängt.

Systeme mit GMR

Um diesen Effekt zu erzielen, gibt es mehrere Möglichkeiten, die Magnetisierung der ferromagnetischen Schichten zu beeinflussen, was zu unterschiedlichen Systemen mit GMR führt.[5]

Multilayer mit unterschiedlicher Koerzitivfeldstärke

Zwei oder mehr ferromagnetische Schichten werden durch eine dünne Schicht (3 Nanometer) aus nicht ferromagnetischem Metall getrennt. Die ferromagnetischen Schichten sind abwechselnd von zwei Typen, die leicht unterschiedliche magnetische Eigenschaften haben, also zum Beispiel ...F1/N/F2/N/F1/N/F2/N... Dadurch kann ein externes Magnetfeld die Polarisation ändern der alternierenden ferromagnetischen Schichten können separat gesteuert werden. Dazu werden zwei ferromagnetische Materialien verwendet, die unterschiedliche Zwang haben.

Multilayer mit antiferromagnetischer Kopplung

Wenn die ferromagnetischen Schichten ausreichend nahe beieinander liegen, ist es möglich, dass sie antiferromagnetisch interagieren. Die sogenannte RKKY Kupplung stellt sicher, dass bei fehlendem äußerem Magnetfeld die benachbarten Schichten vorzugsweise eine entgegengesetzte Magnetisierung aufweisen, was zu einem relativ hohen Widerstand im System führt. Das Anlegen eines ausreichend starken externen Magnetfeldes "zwingt" die ferromagnetischen Schichten in die gleiche Richtung zu magnetisieren, wodurch der Widerstand im System verringert wird. Ein Beispiel für ein solches System ist ein mehrschichtiges ..Fe/Cr/Fe/Cr/Fe/Cr/Fe... mit dünnen Cr-Schichten, etwa 1 Nanometer.

Spin-Ventil-Sandwich

EIN Spin-Ventil-Sandwich besteht aus drei dünnen Schichten (Sandwich). Die Magnetisierung der beiden ferromagnetischen Schichten kann separat gesteuert werden, indem eine der beiden Schichten mit einer dicken Schicht aus ferromagnetischem Material mit einer bestimmten Polarisation gekoppelt wird. Die Polarisation der anderen Schicht kann dann mit einem externen Magnetfeld gesteuert werden. Diese Konfiguration ist am industriellsten anwendbar und wird in Festplatten verwendet.

Anwendungen

GMR wird häufig in den Schreib- und Leseköpfen von . verwendet hartes Schreiben. Eine weitere Anwendung ist der GMR-Effekt in nichtflüchtigen magnetoresistiver Direktzugriffsspeicher (MRAM).

Externe Links

Verweise

  1. ↑G. Binasch, P. Grünberg, F. Saurenbach und W. Zinn (1989) Erhöhter Magnetowiderstand in geschichteten magnetischen Strukturen mit antiferromagnetischem Zwischenschichtaustausch, Physical Review B, vol. 39, pp. 4828–4830. DOI:10.1103/PhysRevB.39.4828
  2. ↑M. N. Baibich, J. M. Broto, A. Fert, F. Nguyen Van Dau, F. Petroff, P. Eitenne, G. Creuzet, A. Friederich und J. Chazelas (1988) Riesiger Magnetowiderstand von (001)Fe/(001)Cr magnetischen Übergittern, voll. 61, pp. 2472–2475. DOI:10.1103/PhysRevLett.61.2472
  3. ↑Nobelpreis für Physik 2007, Nobelpreis.org
  4. ↑Könnten. Schwedische Akademie der Wissenschaften, Die Entdeckung des riesigen Magnetowiderstands, wissenschaftlicher Hintergrund beim Nobelpreis für Physik 2007
  5. ↑ einbB. Dieny, Riesiger Magnetowiderstand in Spin-Valve-Multilayern, Zeitschrift für Magnetismus und magnetische Materialien, Vol. 2, No. 136 (1994), p. 335–359. DOI:10.1016/0304-8853(94)00356-4