Una válvula de espín es un dispositivo que consta de dos o más materiales magnéticos conductores, cuya resistencia eléctrica puede cambiar entre dos valores dependiendo de la alineación relativa de la magnetización en las capas. El cambio de resistencia es el resultado del efecto magnetorresistivo gigante . Las capas magnéticas del dispositivo se alinean "arriba" o "abajo" dependiendo de un campo magnético externo . En el caso más simple, una válvula de espín consiste en un material no magnético intercalado entre dos ferroimanes , uno de los cuales está fijado (fijado) por un antiferroimán que actúa para aumentar su coercitividad magnética y se comporta como una capa "dura", mientras que el otro está libre (no fijado) y se comporta como una capa "blanda". Debido a la diferencia de coercitividad, la capa blanda cambia de polaridad a una intensidad de campo magnético aplicada menor que la dura. Tras la aplicación de un campo magnético de la intensidad adecuada, la capa blanda cambia de polaridad, produciendo dos estados distintos: un estado paralelo de baja resistencia y un estado antiparalelo de alta resistencia. La invención de las válvulas de espín se atribuye al Dr. Stuart Parkin [1] y a su equipo del Centro de Investigación IBM Almaden . El Dr. Parkin se desempeña actualmente como Director General del Instituto Max Planck de Física de Microestructuras en Halle, Alemania.
Las válvulas de espín funcionan gracias a una propiedad cuántica de los electrones (y otras partículas) llamada espín . Debido a una división en la densidad de estados de los electrones en la energía de Fermi en los ferroimanes, existe una polarización neta del espín. Por lo tanto, una corriente eléctrica que pasa a través de un ferroimán lleva tanto carga como un componente de espín. En comparación, un metal normal tiene un número igual de electrones con espines hacia arriba y hacia abajo, por lo que, en situaciones de equilibrio, dichos materiales pueden soportar una corriente de carga con un componente de espín neto cero. Sin embargo, al pasar una corriente desde un ferroimán a un metal normal es posible que se transfiera el espín. Un metal normal puede, por lo tanto, transferir espín entre ferroimanes separados, sujeto a una longitud de difusión del espín lo suficientemente larga.
La transmisión de espín depende de la alineación de los momentos magnéticos en los ferroimanes. Si una corriente pasa a través de un ferroimán cuyo espín mayoritario es el espín hacia arriba, por ejemplo, los electrones con espín hacia arriba pasarán a través de él sin sufrir prácticamente ningún obstáculo, mientras que los electrones con espín hacia abajo se "reflejarán" o se dispersarán por inversión de espín hacia arriba al encontrarse con el ferroimán para encontrar un estado de energía vacío en el nuevo material. Por lo tanto, si tanto la capa fija como la libre están polarizadas en la misma dirección, el dispositivo tiene una resistencia eléctrica relativamente baja, mientras que si el campo magnético aplicado se invierte y la polaridad de la capa libre también se invierte, entonces el dispositivo tiene una resistencia mayor debido a la energía adicional requerida para la dispersión por inversión de espín.
Se necesita una capa antiferromagnética para fijar una de las capas ferromagnéticas (es decir, hacerla fija o magnéticamente dura). Esto es el resultado de una gran energía de acoplamiento de intercambio negativo entre los ferroimanes y los antiferroimanes en contacto.
La capa no magnética es necesaria para desacoplar las dos capas ferromagnéticas de modo que al menos una de ellas permanezca libre (magnéticamente blanda).
Los principios básicos de funcionamiento de una válvula de pseudoespín son idénticos a los de una válvula de espín ordinaria, pero en lugar de cambiar la coercitividad magnética de las diferentes capas ferromagnéticas fijando una con una capa antiferromagnética, las dos capas están hechas de diferentes ferroimanes con diferentes coercitividades, por ejemplo, NiFe y Co. Tenga en cuenta que las coercitividades son en gran medida una propiedad extrínseca de los materiales y, por lo tanto, están determinadas por las condiciones de procesamiento.
Las válvulas de giro se utilizan en sensores magnéticos y cabezales de lectura de discos duros . [2] También se utilizan en memorias de acceso aleatorio magnéticas ( MRAM ).