Kasutaja:Hkratas/liivakast

See on kasutaja Hkratas liivakast. Kasutaja liivakast on kasutajalehekülje alamleht. Siin kasutaja katsetab või valmistab ette loodavaid artikleid. See ei ole entsüklopeediaartikkel. Enda liivakasti loomiseks klõpsa siia.

Magnetotakistus[muuda | muuda lähteteksti]

Magnetotakistus (ing. k. magnetoresistance) on materjali omadus välise magnetvälja mõjul muuta oma elektrilist takistust. Magnetotakistust kirjeldatakse magnetotakistusliku suhte(MR suhe, ing. k. magnetoresistive ratio) abil:

$MR={\frac {R_{H}-R_{0}}{R_{0}}}={\frac {\Delta R}{R}}$ ,

kus R_H on takistus objektile rakendatud välise magnetvälja korral, R₀ takistus ilma objektile välist magnetvälja rakendamata ning see näitab millisel määral on materjal võimeline oma elektrilist takistust välise magnetvälja mõjul muutma. Erinevate magnetotakistuse liikide eristamise aluseks on võetud just MR suhe^[1].

Ajalugu[muuda | muuda lähteteksti]

Esmakordselt märkas magnetotakistuslikku käitumist William Thomson 1857. aastal, kui ta uuris, kuidas mõjub juhi takistusele risti ja paralleelselt vooluga suunatud väline magnetväli. Ta märkas, et raua puhul oli takistus suurem, kui magnetväli oli paralleelne voolu suunaga ning väiksem, kui magnetväli oli voolu suunaga risti. Ta leidis, et see seaduspärasus kehtib ka nikli korral, kuid suuremal määral. Sellist tüüpi magnetotakistust nimetatakse praegu anisotroopseks magnetotakistuseks(AMR, ing. k. anisotropic magnetoresistance)^[2].

Hiiglasliku magnetotakistuse(GMR) avastamise eest said 2007. aastal Nobeli preemia prantsuse füüsik Albert Fert ja saksa füüsik Peter Grünberg, mis võimaldas väiksemate kõvaketaste valmistamist^[3].

Magnetotakistus[muuda | muuda lähteteksti]

Tavalistes metallides[muuda | muuda lähteteksti]

Tavalistes metallides liiguvad välise magnetvälja puudumisel elektronid võre osade vahel sirgjooneliselt põrkudes. Selliselt käituvad vabad elektronid gaasides ka välise välja puhul. Rakendatud väli mõjub elektronidele Lorenzi jõuga, kuid seda tasakaalustab elektronide endi poolt tekitatud elektriväli, mis hoiab elektronide liikumise sirgjoonelisena – seda nimetatakase Halli efektiks. Reaalses metallis, aga on elektronidel erinevad keskmised kiirused ja kuigi tasakaal magnetvälja ja elektrivälja vahel on olemas, siis liiguvad elektronid mööda kõveraid trajektore. Kuna Lorenzi jõud sunnib elektrone liikuma spiraalselt, siis pikeneb märgatavalt nende lennutee pikkus, mis tingib rohkem põrkeid nii võre, kui ka teiste elektronidega mistõttu ongi välise välja rakendamisel takistus materjalis suurem. Selline efekt, kus välise välja puhul on takistus suurem, esineb eelkõige metallidel ja seda nimetatakse positiivseks magnetotakistuseks, kuid kuna tegu on väga väikse efektiga, siis ei ole sellel palju tehnoloogilisi väljundeid.

Ferromagneetikutes[muuda | muuda lähteteksti]

Anisotroopne magnetotakistus(AMR – ing. k. anisotropic magnetoresistance)[muuda | muuda lähteteksti]

AMR-i korral takistuse sõltuvus magnetvälja suunast

Ferromagneetilistes metallides ja -sulamites on magnetotakistuslikud efektid suuremad – ca. 2%. Magnetitakistust nimetatakse anisotroopseks, kui takistuse muutus vooluga paralleelse välja puhul on erinev takistusest risti oleva voolu ja välja korral. Kui väli on paralleelne voolu suunaga, siis on takistus R_paralleelne suurem takistusest, mis oleks välja puudumise korral. Kui välja ja voolu suunad on risti, siis on R_risti väiksem takistusest, mis oleks ilma välise väljata. Risti ja paralleelselt oleva välja korral on takistuse muutus mõlemas suunas ligikaudu sama suur ning see efekt on märgatav isegi väikeste väljade korral ja küllastub 5-10 örstedi juures.

AMR on põhjustatud spinnorbitaalsest vastasmõjust ja see seletati esimest korda ära jaapanlasest teoreetilise füüsiku Jun Kondo poolt varastel 1960-ndatel. Metallide s-elektronid, mis vastutavad juhtivuse eest, hajuvad 3d elektronide orbitaalnurkmomendi rahuldamata(vabade orbitaalkvantarvude korral) osal ning seda kinnitavad magnetotakistuse mõõtmised, mis korrelleeruvad kõrvalekaldega güromagneetilisest suhtest spinnväärtusega 2. Kui magneetumussuund pöördub vastavalt välisele väljale, siis 3d elektronpilv deformeerub ja muudab juhtivuselektronide hajuvuse määra. Tuleb välja, et kui magneetumussuund on risti elektrivoolu suunaga on hajumine väiksem, kui ilma väljata ning paralleelse magneetumussuuna korral on hajumine suurem, kui ilma väljata.

Kolossaalne magnetotakistus(CMR – ing. k. colossal magnetoresistance)[muuda | muuda lähteteksti]

CMR avastati 1994 Jin-i ja kaastöötajate poolt perovskiidi struktuuriga manganiidis La_0.67Ca_0.33MnO₃. Nimi kolossaalne magnetotakistus viitabki magnetvälja tekitatud suurele muutusele elektrilises takistuses, mis võimaldab muuta elektrit juhtiva materjali peaaegu isolaatoriks. Arvatakse, et see on tingitud mangaani katioonide ja nende vahel oleva hapniku aniooni poolt toimuva ülivahetus-interaktsiooni tagajärjel, kus mangaani tühjad või ühe elektroniga täidetud orbitaalile antakse üks elektron hapniku poolt juurde – tühjale orbitaalile üks ja Hundi reeglit järgides tuleb pooleldi täidetud orbitaalile vastaspidise spinniga elektron. Selline interaktsioon muudab ferrimagneetilise materjali antiferrimagneetiliseks ning seetõttu tõuseb ka materjali takistus. Kuigi originaalkatsed viidi läbi madalatel temperatuuridel, siis on samalaadseid efekte nähtud ka toatemperatuuri lähedal. CMR-i esilekutsumiseks on aga vajalikud suured, mõnede tesladeni ulatuvad magnetväljad, mistõttu sensoorikas ega salvestuspeades sellega eriti ei arvestata.

Magnetotakistus tulenevalt spontaansest magneetumisest[muuda | muuda lähteteksti]

Tavalistes mittemagnetilistes materjalides kahaneb materjali takistus sujuvalt koos temperatuuriga, mis on tingitud võreaatomite soojusvõnkumiste intensiivuse langusest ja võre korrastatuse suurenemisest, mille tagajärjel väheneb elektronide hajumine. Ferromagneetilistes metallides toimub allpool Curie temperatuuri takistuse lisakahanemine võrreldes sellega, mida jälgitakse tavametallides. See efekt on tingitud magnetmomentide suurenevast suunatud korrastatusest mis samuti vähendab elektronide hajumist^[1].

Magnetotakistuse mõõtmine[muuda | muuda lähteteksti]

Üks viis magnetotakistuse mõõtmiseks on seda teha magnetvälja asetatud kilelt nelipunktsondi abil, mille üks kõige suurem eelis on mitte-destruktiivsus. Mikrosondi süsteem asetatakse ritta seatuna vastu materjali siledat pinda ning fikseeritakse sondide vahelised kaugused(S₁,S₂,S₃). Konstantse voolu allikas on ühendatud kahe välimise elektroodiga ja muutuvat konstantset pinget mõõdetakse kahe sisemise sondiga. Asetades sellise konfiguratsiooniga sondide süsteemi poollõpmatu ruumalaga materjali peale, siis avaldub materjali eritakistus järgnevalt:

$R={\frac {U}{I*{\frac {2\pi }{{\frac {1}{S_{1}}}+{\frac {1}{S_{3}}}+{\frac {1}{S_{1}+{\frac {1}{S_{2}}}}}+{\frac {1}{S_{2}+S_{3}}}}}}}$ ,

kus I on konstantse vooluallika poolt tekitatud vool, U on sisemise kontaktpaariga mõõdetav potentsiaal ja S₁,S₂,S₃ on sondide vahelised kaugused. Kui sondide vahekaugused on võrdsed, siis taandub valem järgnevale kujule:

$R={\frac {U}{I}}*2\pi *S$ .

Kui ilma välise magnetväljata ja rakendatud välise magnetväljaga on materjali takistused mõõdetud, leitakse materjali MR suhe^[4].

Kasutusalad[muuda | muuda lähteteksti]

Magnetotaktistuslikke efekte kasutatakse lugemispeades, kus soovitakse GMR abil biti suurus vähendada.

Vaata ka[muuda | muuda lähteteksti]

Välise lingid[muuda | muuda lähteteksti]

Horisont ; 6/2007 2007-11

Viited[muuda | muuda lähteteksti]

↑ ^1,0 ^1,1 Spaldin, N. A. Magnetic materials. Fundamentals and Applications. (Cambridge University Press, 2011)
↑ Thomson, W. On the Electro-Dynamic Qualities of Metals:Effects of Magnetization on the Electric Conductivity of Nickel and of Iron. Proc. R. Soc. London 8, 546–550 (1856)
↑ The Nobel Prize in Physics 2007 - NobelPrize.org. (2007). Available at: https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2007/summary/. (Vaadatud: 10. jaanuar 2019)
↑ Nalwa, H. S. Handbook of thin film materials. (Academic Press, 2002)

[Spaldin-1] 1,0 ^1,1 Spaldin, N. A. Magnetic materials. Fundamentals and Applications. (Cambridge University Press, 2011)

[2] Thomson, W. On the Electro-Dynamic Qualities of Metals:Effects of Magnetization on the Electric Conductivity of Nickel and of Iron. Proc. R. Soc. London 8, 546–550 (1856)

[3] The Nobel Prize in Physics 2007 - NobelPrize.org. (2007). Available at: https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2007/summary/. (Vaadatud: 10. jaanuar 2019)

[4] Nalwa, H. S. Handbook of thin film materials. (Academic Press, 2002)

[1]

[2]

[3]

[4]