Магнетосопротивление

Около 150 лет назад английский физик Уильям Томпсон (лорд Кельвин) начал изучать влияние магнитного поля на сопротивление материалов, в частности, как изменяется сопротивление железа в зависимости от направления магнитного поля.

Теоретическую базу под явление магнетосопротивления подвел английский физик Невилл Мотт, получивший за эту работу Нобелевскую премию (1977). Он обратил внимание на аномалии проводимости тока в ферромагнетиках, которые, по его мнению, были обусловлены тем, что у электрона, помимо заряда, имеется спин. Несмотря на то, что понятие спин в физике существовало уже более 80-ти лет, однако традиционная электроника его игнорировала. Считается, что спин — это собственный момент вращения электрона, хотя, строго говоря, никакого вращения у электрона нет. Спин был введен для объяснения наличия у электрона магнитного момента.

В рамках эфирной природы электрического тока анизотропное маг- нетосопротивление объясняется электромагнитным взаимодействием эфитонов тока с эфитонами межатомного эфирного поля ферромагнетика, которые под воздействием, внешнего магнитного поля своей магнитной составляющей ориентируются в направлении магнитных силовых линий. Электрический же ток представляет собой направленное движение эфитонов, которые своей электрической составляющей ориентированы в направлении тока, а их магнитная составляющая всегда перпендикулярна направлению тока. Сила электромагнитного взаимодействия между эфитонами тока и межатомного эфирного поля определяется взаимной ориентацией взаимодействующих эфитонов по магнитной и электрической составляющим.

Когда направление тока в ферромагнетике поперек магнитного поля (рис. 5.6.1), то эфитоны тока в своем движении практически не испытывают помех со стороны магнитного поля, т.к. только часть эфитонов «уточняет» свою ориентацию по магнитной составляющей, а по электрической составляющей ориентация у всех эфитонов тока сохраняется прежней. Поэтому при таком направлении тока относительно магнитного поля электрическое сопротивление минимально.

Рис. 5.6.1.

Направление тока поперек магнитного поля

Если направление тока вдоль магнитного поля (рис: 5.6.2), то ориентация эфитонов межатомного эфирного поля и тока по электрической и магнитной составляющим отличается на угол 90 градусов. В результате электромагнитного взаимодействия ориентация эфитонов тока по электрической и магнитной составляющим изменится на некоторый угол р, который растет с ростом напряженности магнитного поля В и уменьшается с ростом электрического напряжения. Чем больше угол Р, тем больше сопротивление R току. Если P стремится к 90 градусам, то R стремится к бесконечности.

Рис. 5.6.2.

Направление тока вдоль магнитного поля

Основной причиной роста R с увеличением угла р является то, что эфитоны тока в своем движении начинают отклоняться от направления тока и рассеиваться. Кроме того, на противодействие изменению ориентации эфитонов тока под воздействием магнитного поля также затрачивается энергия. И чем выше будет напряженность магнитного поля, тем больше будет расход энергии электрического поля тока на преодоление противодействия своему движению со стороны магнитного поля.

Спиновая электроника начала быстро развиваться с открытием явления Гигантского магнетосопротивления (GMR — Giant magnetore- sistanse) в многослойных устройствах с чередующимися очень тонкими слоями ферромагнитных и немагнитных материалов. Толщина отдельного слоя составляет всего несколько атомов.

За открытие эффекта GMR Нобелевскую премию за 2007 год получили Альберт Фер и Петер Грюнберг. Открытие эффекта GMR оценивается учеными, как триумф фундаментальной науки. Одним из устройств, в котором реализован эффект GMR, является спиновый клапан. Он используется в головках для считывания информации с жесткого диска. Возможность создания таких клапанов появилась благодаря развитию нанотехнологических методов производства тонких пленок.

Рассмотрим, как объяснят наука эффект GMR на примере работы спинового клапана (рис. 5.6.3). В этом клапане слой немагнитного металла (медь, хром) проложен между двумя слоями ферромагнетика (железо, кобальт, никель). Первый слой ферромагнетика называется фиксирующим и представляет собой постоянный магнит. За фиксирующим слоем следует проводящий немагнитный слой, а за ним — чувствительный ферромагнитный слой. Магнитное поле фиксирующего слоя всегда направлено в одну сторону, а направление магнитного поля чувствительного слоя опредёляется внешним магнитным полем. Если магнитные поля в обоих слоях направлены в одну сторону, то большая часть «электронов проводимости» будет иметь параллельные спины и легко проходить через клапан (низкое сопротивление — клапан открыт). Если же магнитные поля у ферромагнитных слоев направлены в противоположные стороны, то электроны из-за переориентации своих спинов в чувствительном слое будут отклоняться от направления своего движения и рассеиваться. В результате общее сопротивление движе-

Рис. 5.6.3. Спиновый клапан'

нию электронов резко возрастает (большое сопротивление — клапан закрыт).

С позиции гипотезы эфирной природы электромагнетизма, эффект GMR имеет другую природу, ибо электрический ток определяется не движением электронов, а направленным движением эфитонов.

Для повышения эффективности спинового клапана количество ферромагнитных слоев, разделенных немагнитными проводящими слоями, может быть увеличено до трех, четырех и т.д. Единственное требование к такому многослойному «пирогу» — обеспечение чередования фиксирующего и чувствительных слоев. Если же в спиновом клапане между ферромагнитными слоями вместо проводящего немагнитного слоя поместить тонкий слой изолятора, через который может просачиваться небольшой ток, то такое устройство превращается в спиновый клапан с магнитным туннельным переходом. Такие клапана при комнатной температуре обладают большим магнетосопротивлением и уже используются в считывающих головках нового поколения.