Спінтроніка та ефект ГМР: Відкриття, яке зробило можливими жорсткі диски з гігабайтами

Загальний огляд

Звичайні електронні пристрої переміщують електрони навколо та вимірює їх заряд. Кожен електрон також має обертання — вроджений квантовий кутовий імпульс, який спрямований або «вгору», або «на вниз» відносно деякої посилання напрямку — і спінтроніка є дисципліною з побудови пристроїв, які використовують обертання як додатковий канал інформації, а не лише заряд. Найбільш значущий та найважливіший спінтронний ефект — великий магніторезистивний ефект (ГМР), відкритий незалежно 1988 року Альбертом Ферт і Пітером Грюнбергом, що принесло їм Нобелівську премію з фізики у 2007 році.

Спінчик: магнітний шар / провідник / магнітний шар

Пристрій GMR – це тонкошарова структура: перший магнітний шар (часто кобальт або сплав кобальту з залізом), невеликий немагнітний провідник (зазвичай мідь) товщиною лише кілька нанометрів та другий магнітний шар. Магнітна орієнтація одного шару фіксується (прикріплена до сусіднього антипарамагніту), а інший може вільно обертатися під впливом зовнішнього поля — цю структуру називають спінчиком. Електричний струм проходить перпендикулярно шарам (або, в більш ранній геометрії, паралельно шарам), і головна мета пристрою полягає в тому, що його електричний опір вимірювано змінюється залежно від того, чи вказують обидва магнітні шари однаковою або протилежною стороною (паралельно або антипаралельно).

Спінзалежна розсіяність: механізм

Усередині ферромагніту, електрони, чиї спіни зорієнтовані відповідно до локального магнетизму, менше відбиваються від забруднень та меж зерен, ніж електрони, чиї спіни зорієнтовані антипаралельно — прямий наслідок розбілу між спінами-вздовж і спінами-навз у ферромагнетичному металі. Оскільки провідний канал достатньо тонкий, щоб електрони перетнули його без зміни орієнтації спіну, двопоточна картина (спіни-вздовж і спіни-навз потоки, що в основному течуть незалежно, спочатку запропонована Mott у 1936 році) пояснює весь ефект:

ПАРАЛЕЛЬНІ шари (однакові напрямки): електрони з спіном-вздовж → низьке розсіювання в ОБОХ шарах → канал з низьким опором електрони з спіном-навз → високе розсіювання в ОБОХ шарах → канал з високим опором → канал з низьким опором короткозамикає масу → ЗАГАЛЬНИЙ низький опір

АНТІПАРЕЛАЛЬНІ шари (протилежні напрямки): кожен електрон «неправильно» зорієнтований в одному або обох шарах → ОБОЄ спін-каналів бачать один шар з низьким розсіюванням і один шар з високим розсіюванням → не існує каналу з низьким опором → ЗАГАЛЬНИЙ високий опір

Відношення GMR = (R_антипаралельне - R_паралельне) / R_паралельне — зазвичай 10-200% У паралельному стані один спін-канал отримує легкий шлях через обидва шари і домінує в потоці, діючи як резистор, короткозамкнений менш опірним каналом. У антипаралельному стані кожен електрон, незалежно від спіну, змушений проходити через принаймні один шар з високим розсіюванням, тому не існує легкого каналу і загальний опір значно вищий. Зміна магнетизації вільної шару невеликим зовнішнім полем призводить до видимого стрибка опору — цей стрибок, надійно прочитаний, є основою роботи кожного головного датчика з кінця 1990-х років.

PARALLEL layers (same direction):
  spin-up electrons  → low scattering in BOTH layers → low-resistance channel
  spin-down electrons → high scattering in BOTH layers → high-resistance channel
  → the low-resistance channel short-circuits the stack → LOW total resistance

ANTIPARALLEL layers (opposite directions):
  every electron is "wrong-aligned" in one layer or the other
  → BOTH spin channels see one low-scattering and one high-scattering layer
  → no low-resistance shortcut exists → HIGH total resistance

GMR ratio = (R_antiparallel - R_parallel) / R_parallel   — typically 10-200%

Від фізики до петабайтів

Жорсткий диск зберігає біти у вигляді мікроскопічних областей магнітного упорядкування на обертовому диску. Читання цих бітів передбачає виявлення дуже малого, локального магнітного поля, коли голівка пролітає над кожним бітом – і датчики ГМР чутливі до цього з надзвичайною точністю. IBM представила першу голівку читання на основі ГМР у 1997 році, менше десятиліття після відкриття ефекту, а покращена чутливість дозволила інженерам значно зменшити розмір магнітних бітів, зберігаючи при цьому їх надійне читання, що призвело до приблизно тисячократного збільшення щільності зберігання даних протягом наступного десятиліття – одного з найшвидших переходів від фундаментального відкриття в галузі конденсованої матерії до технології, яка використовується практично у всіх комп’ютерах на планеті.

Поза ГМР: тунелювання та спіновий момент

ГМР є безпосереднім спадкоємцем, а тунелювальна магніторезистність (ТМР) замінює металевий проміжок тонкою діелектричною перешкодою (зазвичай оксидом магнію), через яку електрони перетинають за допомогою квантового тунелювання, а не дифузійним транспортом. Ймовірність тунелювання ще сильніше залежить від спіну, що забезпечує співвідношення ТМР, яке може перевищувати 200%, а магнітні тунельні перемикачі на основі ТМР є стандартною технологією читання та елементом зберігання даних у Меморі за Магнітним Резистивністю (MRAM).

Зв’язаний з цим і більш сучасний ефект – спіновий момент, який перевертає фізику: спін-поляризований струм може сам по собі створювати достатній момент для зміни орієнтації наномагніту. Саме так сучасні Меморі записують біти – використовуючи спін, а не просто читаючи його, щоб безпосередньо зберігати інформацію.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Spintronics і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.