Magnetorresistencia

Cambio de resistencia inducido magnéticamente

La magnetorresistencia es la tendencia de un material (a menudo ferromagnético ) a cambiar el valor de su resistencia eléctrica en un campo magnético aplicado externamente . Hay una variedad de efectos que pueden llamarse magnetorresistencia. Algunos ocurren en metales y semiconductores no magnéticos a granel, como la magnetorresistencia geométrica, las oscilaciones de Shubnikov-de Haas o la magnetorresistencia positiva común en metales. ^[1] Otros efectos ocurren en metales magnéticos, como la magnetorresistencia negativa en ferroimanes ^[2] o la magnetorresistencia anisotrópica (AMR). Finalmente, en sistemas multicomponentes o multicapa (por ejemplo, uniones de túnel magnético), se pueden observar magnetorresistencia gigante (GMR), magnetorresistencia de túnel (TMR), magnetorresistencia colosal (CMR) y magnetorresistencia extraordinaria (EMR).

El primer efecto magnetorresistivo fue descubierto en 1856 por William Thomson , más conocido como Lord Kelvin, pero no fue capaz de reducir la resistencia eléctrica de nada en más del 5%. Hoy en día, se conocen sistemas que incluyen semimetales ^[3] y estructuras EMR de anillos concéntricos . En estos, un campo magnético puede ajustar la resistencia en órdenes de magnitud. Dado que diferentes mecanismos pueden alterar la resistencia, es útil considerar por separado las situaciones en las que depende de un campo magnético directamente (por ejemplo, magnetorresistencia geométrica y magnetorresistencia multibanda) y aquellas en las que lo hace indirectamente a través de la magnetización (por ejemplo, AMR y TMR ).

Descubrimiento

William Thomson (Lord Kelvin) fue el primero en descubrir la magnetorresistencia ordinaria en 1856. ^[4] Experimentó con piezas de hierro y descubrió que la resistencia aumenta cuando la corriente va en la misma dirección que la fuerza magnética y disminuye cuando la corriente está a 90° de la fuerza magnética. Luego realizó el mismo experimento con níquel y descubrió que se veía afectado de la misma manera, pero la magnitud del efecto era mayor. Este efecto se conoce como magnetorresistencia anisotrópica (AMR).

Animación sobre gráficos relacionados con el descubrimiento de la magnetorresistencia gigante .

Disco de Corbino. Cuando el campo magnético está apagado, una corriente radial fluye en el anillo conductor debido a la batería conectada entre los bordes de conductividad (infinitos). Cuando se activa un campo magnético a lo largo del eje (B señala directamente hacia afuera de la pantalla), la fuerza de Lorentz impulsa un componente circular de corriente y la resistencia entre los bordes interior y exterior aumenta. Este aumento de la resistencia debido al campo magnético se llama magnetorresistencia .

En 2007, Albert Fert y Peter Grünberg recibieron conjuntamente el Premio Nobel por el descubrimiento de la magnetorresistencia gigante . ^[5]

Magnetorresistencia geométrica

Un ejemplo de magnetorresistencia debida a la acción directa de un campo magnético sobre la corriente eléctrica se puede estudiar en un disco de Corbino (véase la Figura). Consiste en un anillo conductor con bordes perfectamente conductores. Sin un campo magnético, la batería impulsa una corriente radial entre los bordes. Cuando se aplica un campo magnético perpendicular al plano del anillo (ya sea hacia dentro o hacia fuera de la página), también fluye un componente circular de corriente, debido a la fuerza de Lorentz . El interés inicial en este problema comenzó con Boltzmann en 1886, y fue reexaminado de forma independiente por Corbino en 1911. ^[6]

En un modelo simple, suponiendo que la respuesta a la fuerza de Lorentz es la misma que para un campo eléctrico, la velocidad del portador v viene dada por: donde μ es la movilidad del portador . Despejando la velocidad, encontramos: $${\displaystyle \mathbf {v} =\mu \left(\mathbf {E} +\mathbf {v\times B} \right),}$$

$${\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {v} &={\frac {\mu }{1+(\mu B)^{2}}}\left(\mathbf {E} +\mu \mathbf {E\times B} +\mu ^{2}(\mathbf {B\cdot E} )\mathbf {B} \right)\\&={\frac {\mu }{1+(\mu B)^{2}}}\left(\mathbf {E} _{\perp }+\mu \mathbf {E\times B} \right)+\mu \mathbf {E} _{\parallel }\,\end{aligned}}}$$

donde la reducción efectiva en la movilidad debido al campo B (para el movimiento perpendicular a este campo) es evidente. La corriente eléctrica (proporcional al componente radial de la velocidad) disminuirá con el aumento del campo magnético y, por lo tanto, la resistencia del dispositivo aumentará. Fundamentalmente, este escenario magnetorresistivo depende sensiblemente de la geometría del dispositivo y las líneas de corriente y no depende de materiales magnéticos.

En un semiconductor con un solo tipo de portador, la magnetorresistencia es proporcional a (1 + ( μB ) ² ) , donde μ es la movilidad del semiconductor (unidades m ² ·V ⁻¹ ·s ⁻¹ , equivalentemente m ² ·Wb ⁻¹ , o T  ⁻¹ ) y B es el campo magnético (unidades teslas ). El antimoniuro de indio , un ejemplo de un semiconductor de alta movilidad, podría tener una movilidad electrónica superior4 ^m2 / Wb a300  K. Entonces en unCampo de 0,25 T , por ejemplo el aumento de la magnetorresistencia sería del 100%.

Magnetorresistencia anisotrópica (AMR)

Aquí se muestra la resistencia de una película delgada de Permalloy en función del ángulo de un campo externo aplicado.

Los experimentos de Thomson ^[4] son ​​un ejemplo de AMR, ^[7] una propiedad de un material en la que se observa una dependencia de la resistencia eléctrica en el ángulo entre la dirección de la corriente eléctrica y la dirección de la magnetización . El efecto surge en la mayoría de los casos de la acción simultánea de la magnetización y la interacción espín-órbita (a pesar de las excepciones relacionadas con el orden magnético no colineal, consulte la Sec. 4(b) en la revisión ^[7] ) y su mecanismo detallado depende del material. Puede deberse, por ejemplo, a una mayor probabilidad de dispersión de electrones en la dirección de la magnetización (que está controlada por el campo magnético aplicado). El efecto neto (en la mayoría de los materiales) es que la resistencia eléctrica tiene un valor máximo cuando la dirección de la corriente es paralela al campo magnético aplicado. ^[8] Se está investigando la AMR de nuevos materiales y se han observado magnitudes de hasta el 50% en algunos compuestos ferromagnéticos de uranio (pero por lo demás bastante convencionales). ^[9] Muy recientemente, se han identificado materiales con AMR extrema ^[10] impulsados ​​por mecanismos no convencionales como una transición metal-aislante desencadenada por la rotación de los momentos magnéticos (mientras que para algunas direcciones de momentos magnéticos, el sistema es semimetálico, para otras direcciones se abre una brecha).

En materiales ferromagnéticos policristalinos, la AMR solo puede depender del ángulo entre la magnetización y la dirección de la corriente y (siempre que la resistividad del material pueda describirse mediante un tensor de rango dos), debe seguir ^[11] ${\displaystyle \varphi =\psi -\theta }$

${\displaystyle \rho (\varphi )=\rho _{\perp }+(\rho _{\parallel }-\rho _{\perp })\cos ^{2}\varphi }$

donde es la resistividad (longitudinal) de la película y son las resistividades para y , respectivamente. Asociada con la resistividad longitudinal, también existe la resistividad transversal denominada (de manera algo confusa[1]) efecto Hall planar. En los monocristales, la resistividad también depende de individualmente. ${\displaystyle \rho }$ ${\displaystyle \rho _{\parallel ,\perp }}$ ${\displaystyle \varphi =0}$ ${\displaystyle 90^{\circ }}$ ${\displaystyle \rho }$ ${\displaystyle \psi ,\theta }$

Para compensar las características no lineales y la incapacidad de detectar la polaridad de un campo magnético, se utiliza la siguiente estructura para los sensores. Consiste en tiras de aluminio u oro colocadas sobre una fina película de permalloy (un material ferromagnético que exhibe el efecto AMR) inclinada en un ángulo de 45°. Esta estructura obliga a la corriente a no fluir a lo largo de los "ejes fáciles" de la fina película, sino en un ángulo de 45°. La dependencia de la resistencia ahora tiene un desplazamiento permanente que es lineal alrededor del punto nulo. Debido a su apariencia, este tipo de sensor se llama " poste de barbero ".

El efecto AMR se utiliza en una amplia gama de sensores para la medición del campo magnético terrestre ( brújula electrónica ), para la medición de la corriente eléctrica (midiendo el campo magnético creado alrededor del conductor), para la detección del tráfico y para la detección de ángulos y posiciones lineales. Los mayores fabricantes de sensores AMR son Honeywell , NXP Semiconductors , STMicroelectronics y Sensitec GmbH.

Como aspectos teóricos, IA Campbell, A. Fert y O. Jaoul (CFJ) ^[12] derivaron una expresión de la relación AMR para aleaciones a base de Ni utilizando el modelo de dos corrientes con procesos de dispersión ss y sd, donde s es un electrón de conducción y d son estados 3d con la interacción espín-órbita. La relación AMR se expresa como

${\displaystyle {\frac {\Delta \rho }{\rho }}={\frac {\rho _{\parallel }-\rho _{\perp }}{\rho _{\perp }}}=\gamma (\alpha -1),}$

con y , donde , , y son una constante de acoplamiento espín-órbita (denominada ), un campo de intercambio y una resistividad para espín , respectivamente. Además, recientemente, Satoshi Kokado et al. ^{[13] [14]} han obtenido la expresión general de la relación AMR para ferroimanes de metales de transición 3d extendiendo la teoría CFJ a una más general. La expresión general también se puede aplicar a semimetales. ${\displaystyle \gamma =(3/4)(A/H)^{2}}$ ${\displaystyle \alpha =\rho _{\downarrow }/\rho _{\uparrow }}$ ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle H}$ ${\displaystyle \rho _{\sigma }}$ ${\displaystyle \zeta }$ ${\displaystyle \sigma }$

Véase también

• Magnetorresistencia gigante
• Magnetorresistencia de túnel
• Magnetorresistencia colosal
• Magnetorresistencia extraordinaria
• Memoria de acceso aleatorio magnetorresistiva

Notas al pie

• 1. El efecto Hall (ordinario) cambia de signo al invertirse el campo magnético y es un efecto orbital (no relacionado con el espín) debido a la fuerza de Lorentz. El AMR transversal (efecto Hall planar ^[15] ) no cambia de signo y es causado por la interacción espín-órbita .

Referencias

1. Pippard, AB (1989). Magnetorresistencia en metales. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-32660-5.
2. Coleman, RV; Isin, A. (1966), "Magnetorresistencia en monocristales de hierro", Journal of Applied Physics , 37 (3): 1028–9, Bibcode :1966JAP....37.1028C, doi :10.1063/1.1708320
3. "Magnetorresistencia imparable".
4. Thomson, W. (18 de junio de 1857), "Sobre las cualidades electrodinámicas de los metales: efectos de la magnetización en la conductividad eléctrica del níquel y del hierro", Proc. R. Soc. Lond. , 8 : 546–550, doi : 10.1098/rspl.1856.0144
5. El Premio Nobel de Física 2007, Nobel Media AB, 9 de octubre de 2007 , consultado el 25 de junio de 2014
6. G Giuliani (2008). "Una ley general para la inducción electromagnética". EPL . 81 (6): 60002. arXiv : 1502.00502 . Bibcode :2008EL.....8160002G. doi :10.1209/0295-5075/81/60002. S2CID  14917438.
7. Ritzinger, Philipp; Vyborny, Karel (2023). "Magnetorresistencia anisotrópica: materiales, modelos y aplicaciones". Royal Society Open Science . 10 (10). arXiv : 2212.03700 . Bibcode :2023RSOS...1030564R. doi :10.1098/rsos.230564. PMC 10582618 . PMID  37859834. 
8. McGuire, T.; Potter, R. (1975). "Magnetorresistencia anisotrópica en aleaciones ferromagnéticas 3D" (PDF) . IEEE Transactions on Magnetics . 11 (4): 1018–38. Bibcode :1975ITM....11.1018M. doi :10.1109/TMAG.1975.1058782.
9. Wiśniewski, P. (2007). "Magnetorresistencia anisotrópica gigante y magnetotermopotencia en pnictidas cúbicas de uranio 3:4". Applied Physics Letters . 90 (19): 192106. Código Bibliográfico :2007ApPhL..90s2106W. doi :10.1063/1.2737904.
10. Yang, Huali (2021). "Magnetorresistencia angular colosal en el semiconductor antiferromagnético EuTe ₂ ". Phys. Rev. B . 104 (21): 214419. Bibcode :2021PhRvB.104u4419Y. doi :10.1103/PhysRevB.104.214419. S2CID  245189642.
11. De Ranieri, E.; Rushforth, AW; Výborný, K.; Rana, U.; Ahmed, E.; Campion, RP; Foxon, CT; Gallagher, BL; Irvine, AC; Wunderlich, J.; Jungwirth, T. (10 de junio de 2008), "Efectos de la deformación controlados litográfica y eléctricamente sobre la magnetorresistencia anisotrópica en (Ga,Mn)As", New J. Phys. , 10 (6): 065003, arXiv : 0802.3344 , Bibcode :2008NJPh...10f5003D, doi :10.1088/1367-2630/10/6/065003, S2CID  119291699
12. Campbell, IA; Fert, A.; Jaoul, O. (1970). "La anisotropía de resistividad espontánea en aleaciones a base de Ni". J. Phys. C . 3 (1S): S95–S101. Código Bibliográfico :1970JPhC....3S..95C. doi :10.1088/0022-3719/3/1S/310.
13. Kokado, Satoshi; Tsunoda, Masakiyo; Harigaya, Kikuo; Sakuma, Akimasa (2012). "Efectos de la magnetorresistencia anisotrópica en Fe, Co, Ni, Fe4N y ferroimán semimetálico: un análisis sistemático". J. Física. Soc. Japón . 81 (2): 024705–1–17. arXiv : 1111.4864 . Código Bib : 2012JPSJ...81b4705K. doi :10.1143/JPSJ.81.024705. S2CID  100002412.
14. Kokado, Satoshi; Tsunoda, Masakiyo (2013). "Efecto de magnetorresistencia anisotrópica: expresión general de la relación AMR y explicación intuitiva del signo de la relación AMR". Investigación de materiales avanzados . 750–752: 978–982. arXiv : 1305.3517 . Código Bibliográfico :2013arXiv1305.3517K. doi :10.4028/www.scientific.net/AMR.750-752.978. S2CID  35733115.
15. Tang, HX; Kawakami, RK; Awschalom, DD; Roukes, ML (marzo de 2003), "Efecto Hall planar gigante en dispositivos epitaxiales (Ga,Mn)As" (PDF) , Phys. Rev. Lett. , 90 (10): 107201, arXiv : cond-mat/0210118 , Bibcode :2003PhRvL..90j7201T, doi :10.1103/PhysRevLett.90.107201, PMID  12689027, S2CID  1485882