Hiiglaslik magnettakistus

Allikas: Vikipeedia
Fert et al. uurimise tulemused

Hiiglaslik magnettakistus (GMR) on kvantmehaaniline magnettakistuse nähtus, mis esineb õhukesekihilistes struktuurides, mis koosnevad vahelduvatest ferromagnetilistest ja mittemagnetilistest kihtidest.

2007. aastal said Albert Fert Prantsusmaalt ja Peter Grünberg Saksamaalt Nobeli füüsikaauhinna GMRi nähtuse avastamise eest.[1]

GMR efekti puhul sõltub materjali elektritakistuse muutus märgatavalt naaber ferromagnetiliste kihtide magnetilistest orientatsioonidest. Summaarne takistus on suhteliselt madal paralleelselt orienteerunud kihtidel ja kõrge antiparalleelsetel orientatsioonidel.

GMRi põhiline rakendus on kõvaketaste lugejapeades.[2]

Avastamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

GMR avastati esmalt 1988. aastal Fe/Cr/Fe kolmikkihtides Peter Grünbergi juhitud uurimisrühma poolt Jülichi uurimiskeskuses Saksamaal. Jülich omab ka vastavat patenti. Sama asja avastas sõltumatult Fe/Cr multikihtides ka Albert Ferti grupp Paris-Süd Ülikoolis Prantsusmaal. Fert'i grupp täheldas esimesena suurt muutust multikihtides, millest tuli ka efektile nimi ja samuti kirjeldas täpselt seda nähtust füüsikaliselt, aga administratiivsetel põhjustel esitasid nad patenditaotluse sakslastest mõni päev hiljem. GMRi avastamist peetakse ka spintroonika sünniks. Grünberg ja Fert on saanud mitmeid prestiižeid auhindu spintroonika avastamise ja selle arengusse tehtud panuste eest.

GMRi tüübid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Multikiht GMR[muuda | redigeeri lähteteksti]

Multikiht GMRi puhul eraldatakse kaks või enam ferromagnetilist kihti väga õhukese (ca 1 nm) antiferromagnetilise kihiga (näiteks Fe/Cr/Fe). Teatud paksuse juures RKKY paardumine ferromagneetikute vahel muutub antiferromagneetiliseks, mis tähendab, et energeetiliselt on soodustatud lähimate ferromagneetiliste kihtide antiparalleelne joondumine.[3] Seadme elektriline takistus on tavaliselt suurem antiparalleelses konfiguratsioonis ja erinevus võib toatemperatuuril olla kuni 8%.[2]

Esimesed avastused multikihi GMR efekti kohta tehti 10 ja enama kihilistes materjalides. Varased eksperimendid tehti nii, et vool oli paralleelne kihtide tasanditega (CIP konfiguratsioon- current in plane). Ka kommertsiaalsetes GMR kõvaketta peades kasutatakse sama konfiguratsiooni. Järgnevas osas käib jutt tasandiga risti voolu geomeetria kohta (CPP- current perpendicular-to-the-plane), mis on põhimõtteliselt sarnane magnetilise tunnel ristmikuga (magnetic tunnel junction), kus kahte ferromagneetikut eraldab ca 1 nm isolaatori kiht.[4]

Spinnventiilid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Spinnventiil. Joonisel on kujutatud vasakul paralleelne ja paremal anti-paralleelne konfiguratsioon. FM tähistab ferromagneetikut ja NM tavalist metalli, ↑ tähistab elektroni, mille spinn on üles orienteeritud, ↓ spinniga alla orienteeritud elektroni. Mustad vertikaalsed nooled FM-kihtides tähistavad magnetmomendi suunda. Nooled, mis risti läbi kihide jooksevad, näitavad elektroni trajektoori. Kõrvalekalle sirgest trajektoorist tähistab elektronide hajumist.

Spinnventiili läbiv elektron hajub rohkem, kui ta spinn on antiparalleelne FM-kihi magnetmomendiga. Seda põhimõtet kasutatakse füüsiliselt võrdsete elektriskeemide koostamiseks, milles takistused erinevad spinnventiilide tõttu.[3]

Uurimine käib, et suurendada spinnventiilides magnettakistust praktiliste meetodite abil. Näiteks püütakse suurendada kihtide vahelist takistust lisades nende vahele poolmetalle. Poolmetallide lisamine pikendab distantsi, mil elektron säilitab oma spinni väärtust (spinn-relaksatsiooni pikkus) ja suurendab FM-kihtide võimet elektrone polariseerida. Singapuri Riiklikus Ülikoolis S. Bala Kumar ja kolleegid tõestasid, et NiFe/Cu/NiFe spinnventiilides magnettakistus surutakse nulli lähedale kõrge kihtide vahelise takistuse tõttu, kuna see soodustab elektronide spinnide ümber orienteerumist. [5]

GMR efekti suurendamiseks tuleb leida optimaalne takistus ja polarisatsioon kihtide vahelisel piirpinnal. Põhiliseks isolaatoriks kihtide vahel on vask ja ferromagneetikuna kasutatakse permalloid (80% Ni – 20% Fe sulam), mõlemad on laialt tuntud ja vastavad tööstuslikele nõuetele.[6]

Granulaarne GMR[muuda | redigeeri lähteteksti]

Granulaarne GMRi efekt esineb tahke magnetilise materjal sadestamisel mittemagnetilises maatriksis. Siiani on seda efekti täheldatud vaid vaske sisaldavates koobalti graanulites. Põhjuseks on tõik, et vask ja koobalt ei segune. Seega on võimalik tekitada tahke sade, kui kiiresti jahutada sulatatud koobalti ja vase segu. Graanulite suurus sõltub jahutamise kiirusest ja sellele järgnevast lõõmutamisest. Siiani pole granulaarsed GMR materjalid võimaldanud selliseid GMRi koefitsiente saavutada nagu multikiht GMR materjalid.[7]

GMR ja magnettakistuslik tunnel efekt (TMR)[muuda | redigeeri lähteteksti]

Magnettakistuslik tunnel efekt on spinnventiili edasiarendus, kus elektronid liiguvad läbi õhukese isoleeriva tunnelbarjääri nii, et nende spinnid on orienteeritud risti kihtidega. See võimaldab üheaegselt kõrgemat impedantsi, kõrgemat magnettakistuse väärtust (u 10x toatemperatuuril) ja temperatuuri koefitsiendi 0 lähedale viimist.[8] Nüüdseks on TMR asendanud GMRi kõvaketastes põhiliselt kõrgema tiheduse ja risti salvestamise võimaluse tõttu. TMR on viinud MRAM (ingl. magnetic random access memory) mälude tekkeni[2][4] ja ümberprogrammeeritavate magnetiliste loogikaseadmete arendamiseni.

Rakendused[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • GMR on põhjustanud spintroonika, uue elektroonika valdkonna esile kerkimise. Spintroonika meetodeid kasutatakse laialdaselt kaasaegsete kõvaketaste lugejapeades ja magnetilistes sensorites. Kõvaketas salvestab kahendsüsteemis. Paralleelsete ja antiparalleelsete kihtide konfiguratsioonidest tulenevat takistuse erinevust saab kasutada 0 ja 1 salvestamiseks.
  • Kõrge GMR on soovitav optimaalse info salvestamise tiheduse saavutamiseks. Kihte risti läbiva vooluga (CPP- current perpendicular-to-plane) spinnventiilid annavad hetkel suurimat GMR efekti.[2] Uuritakse ka vanemaid tasandiga sama suunalise vooluga konfiguratsioone ja TMR spinnventiile, mis võiksid lubada kõvakettal infotiheduse viia kuni 155 GB/cm2 -ni.[2]
  • Kõvaketta tootjad on ka uurinud magnetilisi sensoreid, mis põhinevad kolossaalsel magnettakistusel (CMR) ja hiiglaslikul planaarsel Halli efektil. Laboris on selliste sensorite tundlikkus mitmeid suurusjärke parem GMRi põhistest. Põhimõtteliselt oleks selle abil võimalik info salvestamise tihedust suurendada mitme suurusjärgu võrra. 2003. aasta seisuga on kõvaketastes kommertsiaalses kasutuses vaid GMR efekt, kuna CMRi ega Halli efekti pole suudetud 150 K-st kõrgemal temperatuuril saavutada.[9]
  • Magnetocoupler ehk magnettakistuslik isolaator on seade, mis kasutab GMRi, et võimaldada signaali vahetust kahe galvaaniliselt isoleeritud erineval pingel töötaval elektriringil. Töötab nii vahelduv- kui alalisvoolu puhul.[2]
  • Vibratsiooni mõõtmine MEMS'ide (mikroelektromehaaniline süsteem) abil. [2]
  • DNA või valgu sidestumise detekteerimine mõõtes jääkvälja, mida põhjustavad pindkihis paiknevad superparamagnetilised osakesed.[2]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]