Magnetorresistencia gigante

Fenómeno que implica el cambio de conductividad en capas metálicas.

La magnetorresistencia gigante ( GMR ) es un efecto de magnetorresistencia mecánico cuántico observado en multicapas compuestas de capas conductoras ferromagnéticas y no magnéticas alternas. El Premio Nobel de Física de 2007 fue concedido a Albert Fert y Peter Grünberg por el descubrimiento del GMR, que también sienta las bases para el estudio de la espintrónica .

El efecto se observa como un cambio significativo en la resistencia eléctrica dependiendo de si la magnetización de las capas ferromagnéticas adyacentes está en una alineación paralela o antiparalela . La resistencia general es relativamente baja para la alineación paralela y relativamente alta para la alineación antiparalela. La dirección de magnetización se puede controlar, por ejemplo, aplicando un campo magnético externo. El efecto se basa en la dependencia de la dispersión de electrones de la orientación del espín.

La principal aplicación de GMR es en sensores de campo magnético , que se utilizan para leer datos en unidades de disco duro , biosensores , sistemas microelectromecánicos (MEMS) y otros dispositivos. ^[1] Las estructuras multicapa GMR también se utilizan en la memoria magnetorresistiva de acceso aleatorio (MRAM) como células que almacenan un bit de información.

En la literatura, el término magnetorresistencia gigante a veces se confunde con magnetorresistencia colosal de semiconductores ferromagnéticos y antiferromagnéticos , que no está relacionada con una estructura multicapa. ^{[2] [3]}

Los resultados fundamentales de Albert Fert y Peter Grünberg (1988): cambio en la resistencia de las superredes de Fe/Cr a 4,2 K en el campo magnético externo H. La corriente y el campo magnético eran paralelos al eje [110] . La flecha a la derecha muestra el cambio máximo de resistencia. H _s es el campo de saturación. ^{[nota 1]}

Formulación

La magnetorresistencia es la dependencia de la resistencia eléctrica de una muestra de la fuerza de un campo magnético externo. Numéricamente se caracteriza por el valor

${\displaystyle \delta _{H}={\frac {R(H)-R(0)}{R(0)}}}$

donde R(H) es la resistencia de la muestra en un campo magnético H, y R(0) corresponde a H = 0. ^[4] Las formas alternativas de esta expresión pueden usar resistividad eléctrica en lugar de resistencia, un signo diferente para δ _H , ^[5] y a veces están normalizados por R(H) en lugar de R(0). ^[6]

El término "magnetorresistencia gigante" indica que el valor δ _H para estructuras multicapa excede significativamente la magnetorresistencia anisotrópica, cuyo valor típico está dentro de unos pocos porcentajes. ^{[7] [8]}

Historia

GMR fue descubierto en 1988 de forma independiente ^{[9] [10]} por los grupos de Albert Fert de la Universidad de Paris-Sud , Francia, y Peter Grünberg del Forschungszentrum Jülich , Alemania. La importancia práctica de este descubrimiento experimental fue reconocida con el Premio Nobel de Física otorgado a Fert y Grünberg en 2007. ^[11]

Primeros pasos

El primer modelo matemático que describe el efecto de la magnetización sobre la movilidad de los portadores de carga en sólidos , relacionado con el giro de esos portadores, se presentó en 1936. Desde la década de 1960 se conoce evidencia experimental de la mejora potencial de δ _H. A finales de la década de 1980, la magnetorresistencia anisotrópica había sido bien explorada, ^{[12] [13]} pero el valor correspondiente de δ _H no excedía un pequeño porcentaje. ^[7] La ​​mejora de δ _H se hizo posible con la llegada de técnicas de preparación de muestras como la epitaxia de haz molecular , que permite fabricar películas delgadas multicapa con un espesor de varios nanómetros. ^[14]

Experimento y su interpretación.

Fert y Grünberg estudiaron la resistencia eléctrica de estructuras que incorporan materiales ferromagnéticos y no ferromagnéticos. En particular, Fert trabajó en películas multicapa y Grünberg descubrió en 1986 la interacción de intercambio antiferromagnético en películas Fe/Cr. ^[14]

El trabajo de descubrimiento de GMR fue llevado a cabo por los dos grupos en muestras ligeramente diferentes. El grupo Fert utilizó superredes de (001)Fe/(001)Cr en las que las capas de Fe y Cr se depositaron en alto vacío sobre un sustrato de (001) GaAs mantenido a 20 °C y las mediciones de magnetorresistencia se tomaron a baja temperatura (normalmente 4,2). K). ^[10] El trabajo de Grünberg se realizó en multicapas de Fe y Cr sobre (110) GaAs a temperatura ambiente. ^[9]

En multicapas de Fe/Cr con capas de hierro de 3 nm de espesor, el aumento del espesor de las capas de Cr no magnético de 0,9 a 3 nm debilitó el acoplamiento antiferromagnético entre las capas de Fe y redujo el campo de desmagnetización, que también disminuyó cuando la muestra fue Se calentó desde 4,2 K hasta temperatura ambiente. Cambiar el espesor de las capas no magnéticas condujo a una reducción significativa de la magnetización residual en el bucle de histéresis. La resistencia eléctrica cambió hasta un 50% con el campo magnético externo a 4,2 K. Fert denominó al nuevo efecto magnetorresistencia gigante, para resaltar su diferencia con la magnetorresistencia anisotrópica. ^{[10] [15]} El experimento de Grünberg ^[9] hizo el mismo descubrimiento, pero el efecto fue menos pronunciado (3% en comparación con 50%) debido a que las muestras estaban a temperatura ambiente en lugar de a baja temperatura.

Los descubridores sugirieron que el efecto se basa en la dispersión de electrones dependiente del espín en la superred, particularmente en la dependencia de la resistencia de las capas de las orientaciones relativas de la magnetización y los espines de los electrones. ^{[9] [10]} La teoría de GMR para diferentes direcciones de la corriente se desarrolló en los años siguientes. En 1989, Camley y Barnaś calcularon la geometría de "corriente en el plano" (CIP), donde la corriente fluye a lo largo de las capas, en la aproximación clásica, ^[16] mientras que Levy et al. utilizó el formalismo cuántico. ^[17] La ​​teoría del GMR para la corriente perpendicular a las capas (corriente perpendicular al plano o geometría CPP), conocida como teoría de Valet-Fert, fue reportada en 1993. [ ^18] Las aplicaciones favorecen la geometría CPP ^[19] porque proporciona una mayor relación de magnetorresistencia (δ _H ), ^[20] lo que resulta en una mayor sensibilidad del dispositivo. ^[21]

Teoría

Fundamentos

Dispersión dependiente del giro

Densidad electrónica de estados (DOS) en metales magnéticos y no magnéticos. 1: la estructura de dos capas ferromagnéticas y una no magnética (las flechas indican la dirección de la magnetización). 2: división de DOS para electrones con diferentes direcciones de giro para cada capa (las flechas indican la dirección de giro). F: nivel de Fermi . El momento magnético es antiparalelo a la dirección de giro total en el nivel de Fermi.

En materiales ordenados magnéticamente, la resistencia eléctrica se ve afectada de manera crucial por la dispersión de electrones en la subred magnética del cristal, que está formada por átomos cristalográficamente equivalentes con momentos magnéticos distintos de cero. La dispersión depende de las orientaciones relativas de los espines de los electrones y de esos momentos magnéticos: es más débil cuando son paralelos y más fuerte cuando son antiparalelos; es relativamente fuerte en el estado paramagnético, en el que los momentos magnéticos de los átomos tienen orientaciones aleatorias. ^{[7] [22]}

Para buenos conductores como el oro o el cobre, el nivel de Fermi se encuentra dentro de la banda sp y la banda d está completamente llena. En los ferromagnetos, la dependencia de la dispersión de los átomos de electrones de la orientación de sus momentos magnéticos está relacionada con el llenado de la banda responsable de las propiedades magnéticas del metal, por ejemplo, la banda 3 d para hierro , níquel o cobalto . La banda d de los ferromagnetos está dividida, ya que contiene un número diferente de electrones con espines dirigidos hacia arriba y hacia abajo. Por lo tanto, la densidad de estados electrónicos en el nivel de Fermi también es diferente para espines que apuntan en direcciones opuestas. El nivel de Fermi para los electrones con espín mayoritario se encuentra dentro de la banda sp y su transporte es similar en ferroimanes y metales no magnéticos. Para los electrones de espín minoritario, las bandas sp y d están hibridadas, y el nivel de Fermi se encuentra dentro de la banda d . La banda spd hibridada tiene una alta densidad de estados, lo que da como resultado una dispersión más fuerte y, por lo tanto, un camino libre medio λ más corto para los electrones de espín minoritario que para los de espín mayoritario. En el níquel dopado con cobalto, la relación λ _↑ /λ _↓ puede llegar a 20. ^[23]

Según la teoría de Drude , la conductividad es proporcional a λ, que en películas metálicas delgadas oscila entre varias y varias decenas de nanómetros. Los electrones "recuerdan" la dirección del espín dentro de la llamada longitud de relajación del espín (o longitud de difusión del espín), que puede exceder significativamente el camino libre medio. El transporte dependiente del espín se refiere a la dependencia de la conductividad eléctrica de la dirección de espín de los portadores de carga. En los ferromagnetos, ocurre debido a transiciones de electrones entre las bandas de 4 s no divididas y las de 3 d divididas . ^[7]

En algunos materiales, la interacción entre electrones y átomos es más débil cuando sus momentos magnéticos son antiparalelos en lugar de paralelos. Una combinación de ambos tipos de materiales puede dar como resultado el llamado efecto GMR inverso. ^{[7] [24]}

Estructura de bandas (izquierda) y densidad de estados (derecha)

• 
  Cobre (metal no magnético). F – el nivel de Fermi. El eje vertical es la energía en eV.
• 
  Cobalto (giros mayoritarios)
• 
  Cobalto (giros minoritarios)

Geometrías CIP y CPP

Haga girar válvulas en el cabezal de lectura de un sensor en las geometrías CIP (izquierda) y CPP (derecha). Rojo: cables que suministran corriente al sensor, verde y amarillo: capas ferromagnéticas y no magnéticas. V: diferencia de potencial.

La corriente eléctrica puede pasar a través de superredes magnéticas de dos maneras. En la geometría de corriente en plano (CIP), la corriente fluye a lo largo de las capas y los electrodos están ubicados en un lado de la estructura. En la configuración de corriente perpendicular al plano (CPP), la corriente pasa perpendicular a las capas y los electrodos están ubicados en diferentes lados de la superred. ^[7] La ​​geometría CPP da como resultado un GMR más del doble, pero es más difícil de realizar en la práctica que la configuración CIP. ^{[25] [26]}

Transporte de portadores a través de una superred magnética.

Válvula de giro basada en el efecto GMR. FM: capa ferromagnética (las flechas indican la dirección de magnetización), NM: capa no magnética. Los electrones con espines hacia arriba y hacia abajo se dispersan de manera diferente en la válvula.

El orden magnético difiere en las superredes con interacción ferromagnética y antiferromagnética entre las capas. En el primer caso, las direcciones de magnetización son las mismas en diferentes capas ferromagnéticas en ausencia de campo magnético aplicado, mientras que en el segundo caso, se alternan direcciones opuestas en la multicapa. Los electrones que viajan a través de la superred ferromagnética interactúan con ella mucho más débilmente cuando sus direcciones de giro son opuestas a la magnetización de la red que cuando son paralelas a ella. Esta anisotropía no se observa en la superred antiferromagnética; como resultado, dispersa electrones con más fuerza que la superred ferromagnética y exhibe una mayor resistencia eléctrica. ^[7]

Las aplicaciones del efecto GMR requieren una conmutación dinámica entre la magnetización paralela y antiparalela de las capas en una superred. En primera aproximación, la densidad de energía de la interacción entre dos capas ferromagnéticas separadas por una capa no magnética es proporcional al producto escalar de sus magnetizaciones:

${\displaystyle w=-J(\mathbf {M} _{1}\cdot \mathbf {M} _{2}).}$

El coeficiente J es una función oscilatoria del espesor de la capa no magnética _ds ; por lo tanto J puede cambiar su magnitud y signo. Si el valor d _s corresponde al estado antiparalelo, entonces un campo externo puede cambiar la superred del estado antiparalelo (alta resistencia) al estado paralelo (baja resistencia). La resistencia total de la estructura se puede escribir como

${\displaystyle R=R_{0}+\Delta R\sin ^{2}{\frac {\theta }{2}},}$

donde R ₀ es la resistencia de la superred ferromagnética, ΔR es el incremento de GMR y θ es el ángulo entre las magnetizaciones de capas adyacentes. ^[25]

Descripción matemática

El fenómeno GMR se puede describir utilizando dos canales de conductividad relacionados con el espín correspondientes a la conducción de electrones, para los cuales la resistencia es mínima o máxima. La relación entre ellos a menudo se define en términos del coeficiente de anisotropía de espín β. Este coeficiente se puede definir utilizando el mínimo y el máximo de la resistividad eléctrica específica ρ _F± para la corriente polarizada por espín en la forma

${\displaystyle \rho _{F\pm }={\frac {2\rho _{F}}{1\pm \beta }},}$

donde ρ _F es la resistividad promedio del ferroimán. ^[27]

Modelo de resistencia para estructuras CIP y CPP.

Si la dispersión de los portadores de carga en la interfaz entre el metal ferromagnético y el no magnético es pequeña y la dirección de los espines de los electrones persiste el tiempo suficiente, es conveniente considerar un modelo en el que la resistencia total de la muestra sea una combinación de las Resistencias de las capas magnéticas y no magnéticas.

En este modelo, hay dos canales de conducción para electrones con varias direcciones de espín en relación con la magnetización de las capas. Por tanto, el circuito equivalente de la estructura GMR consta de dos conexiones en paralelo correspondientes a cada uno de los canales. En este caso, la RMG se puede expresar como

${\displaystyle \delta _{H}={\frac {\Delta R}{R}}={\frac {R_{\uparrow \downarrow }-R_{\uparrow \uparrow }}{R_{\uparrow \uparrow }}}={\frac {(\rho _{F+}-\rho _{F-})^{2}}{(2\rho _{F+}+\chi \rho _{N})(2\rho _{F-}+\chi \rho _{N})}}.}$

Aquí el subíndice de R denota magnetización colineal y de orientación opuesta en capas, χ = b/a es la relación de espesor de las capas magnéticas y no magnéticas, y ρ _N es la resistividad del metal no magnético. Esta expresión es aplicable tanto para estructuras CIP como CPP. Bajo la condición de que esta relación se pueda simplificar utilizando el coeficiente de asimetría de espín ${\displaystyle \chi \rho _{N}\ll \rho _{F\pm }}$

${\displaystyle \delta _{H}={\frac {\beta ^{2}}{1-\beta ^{2}}}.}$

Un dispositivo de este tipo, cuya resistencia depende de la orientación del espín del electrón, se denomina válvula de espín . Es "abierto" si las magnetizaciones de sus capas son paralelas, y "cerrado" en caso contrario. ^[28]

Modelo valet-fert

En 1993, Thierry Valet y Albert Fert presentaron un modelo para la magnetorresistencia gigante en la geometría CPP, basado en las ecuaciones de Boltzmann. En este modelo, el potencial químico dentro de la capa magnética se divide en dos funciones, correspondientes a electrones con espines paralelos y antiparalelos a la magnetización de la capa. Si la capa no magnética es suficientemente delgada, entonces en el campo externo E ₀ las modificaciones del potencial electroquímico y el campo dentro de la muestra tomarán la forma

${\displaystyle \Delta \mu ={\frac {\beta }{1-\beta ^{2}}}eE_{0}\ell _{s}e^{z/\ell _{s}},}$

${\displaystyle \Delta E={\frac {\beta ^{2}}{1-\beta ^{2}}}eE_{0}\ell _{s}e^{z/\ell _{s}},}$

donde ℓ _s es la longitud promedio de relajación del espín, y la coordenada z se mide desde el límite entre las capas magnética y no magnética (z < 0 corresponde a la ferromagnética). ^[18] Así, los electrones con un potencial químico mayor se acumularán en el límite del ferroimán. ^[29] Esto puede representarse por el potencial de acumulación de espín V _AS o por la llamada resistencia de interfaz (inherente al límite entre un ferroimán y un material no magnético)

${\displaystyle R_{i}={\frac {\beta (\mu _{\uparrow \downarrow }-\mu _{\uparrow \uparrow })}{2ej}}={\frac {\beta ^{2}\ell _{sN}\rho _{N}}{1+(1-\beta ^{2})\ell _{sN}\rho _{N}/(\ell _{sF}\rho _{F})}},}$

donde j es la densidad de corriente en la muestra, ℓ _sN y ℓ _sF son la longitud de la relajación del espín en materiales magnéticos y no magnéticos, respectivamente. ^[30]

Preparación del dispositivo

Materiales y datos experimentales.

Muchas combinaciones de materiales exhiben GMR, ^[31] y las más comunes son las siguientes:

• FeCr ^[10]
• Co ₁₀ Cu ₉₀ : δ _H = 40% a temperatura ambiente ^[32]
• [110]Co ₉₅ Fe ₅ /Cu: δ _H = 110% a temperatura ambiente. ^[31]

La magnetorresistencia depende de muchos parámetros, como la geometría del dispositivo (CIP o CPP), su temperatura y los espesores de las capas ferromagnéticas y no magnéticas. A una temperatura de 4,2 K y un espesor de capas de cobalto de 1,5 nm, el aumento del espesor de las capas de cobre d _Cu de 1 a 10 nm disminuyó δ _H de 80 a 10% en la geometría CIP. Mientras tanto, en la geometría CPP se observó el máximo de δ _{H (125%) para d Cu} = 2,5 nm, y el aumento de d _Cu a 10 nm redujo δ _H al 60 % de forma oscilante. ^[33]

Cuando una superred de Co (1,2 nm) / Cu (1,1 nm) se calentó desde casi cero a 300 K, su δ _H disminuyó del 40 al 20% en la geometría CIP y del 100 al 55% en la geometría CPP. ^[34]

Las capas no magnéticas pueden ser no metálicas. Por ejemplo, se demostró un δ _{H de hasta el 40 % para capas orgánicas a 11 K.} ^[35] Las válvulas de giro de grafeno de varios diseños exhibieron un δ _H de aproximadamente el 12 % a 7 K y el 10 % a 300 K, muy por debajo del límite teórico de 109%. ^[36]

El efecto GMR se puede mejorar mediante filtros de espín que seleccionan electrones con una determinada orientación de espín; están hechos de metales como el cobalto. Para un filtro de espesor t, el cambio en la conductividad ΔG se puede expresar como

${\displaystyle \Delta G=\Delta G_{SV}+\Delta G_{f}(1-e^{\beta t/\lambda }),}$

donde ΔG _SV es el cambio en la conductividad de la válvula de giro sin el filtro, ΔG _f es el aumento máximo de conductividad con el filtro y β es un parámetro del material del filtro. ^[37]

Tipos de RMG

GMR a menudo se clasifica según el tipo de dispositivos que exhiben el efecto. ^[38]

Película (s

Superredes antiferromagnéticas

Fert y Grünberg observaron por primera vez la GMR en películas en un estudio de superredes compuestas de capas ferromagnéticas y no magnéticas. El espesor de las capas no magnéticas se eligió de modo que la interacción entre las capas fuera antiferromagnética y la magnetización en capas magnéticas adyacentes fuera antiparalela. Entonces, un campo magnético externo podría hacer que los vectores de magnetización sean paralelos, afectando así la resistencia eléctrica de la estructura. ^[10]

Las capas magnéticas en tales estructuras interactúan mediante un acoplamiento antiferromagnético, lo que resulta en la dependencia oscilante del GMR del espesor de la capa no magnética. En los primeros sensores de campo magnético que utilizaban superredes antiferromagnéticas, el campo de saturación era muy grande, hasta decenas de miles de oersteds , debido a la fuerte interacción antiferromagnética entre sus capas (hechas de cromo, hierro o cobalto) y los fuertes campos de anisotropía en ellas. . Por tanto, la sensibilidad de los dispositivos era muy baja. El uso de aleación permanente para las capas magnéticas y plata para las no magnéticas redujo el campo de saturación a decenas de oersteds. ^[39]

Haga girar válvulas usando polarización de intercambio

En las válvulas de giro más exitosas, el efecto GMR se origina en el sesgo de intercambio. Constan de una capa sensible, una capa "fija" y una capa antiferromagnética. La última capa congela la dirección de magnetización en la capa "fija". Las capas sensibles y antiferromagnéticas se adelgazan para reducir la resistencia de la estructura. La válvula reacciona al campo magnético externo cambiando la dirección de magnetización en la capa sensible con respecto a la capa "fija". ^[39]

La principal diferencia entre estas válvulas de giro y otros dispositivos GMR multicapa es la dependencia monótona de la amplitud del efecto sobre el espesor d _N de las capas no magnéticas:

${\displaystyle \delta _{H}(d_{N})=\delta _{H0}{\frac {\exp \left(-d_{N}/\lambda _{N}\right)}{1+d_{N}/d_{0}}},}$

donde δ _H0 es una constante de normalización, λ _N es el camino libre medio de los electrones en el material no magnético, d ₀ es el espesor efectivo que incluye la interacción entre capas. ^{[38] [40]} La dependencia del espesor de la capa ferromagnética se puede dar como:

${\displaystyle \delta _{H}(d_{F})=\delta _{H1}{\frac {1-\exp \left(-d_{F}/\lambda _{F}\right)}{1+d_{F}/d_{0}}}.}$

Los parámetros tienen el mismo significado que en la ecuación anterior, pero ahora se refieren a la capa ferromagnética. ^[31]

Multicapas que no interactúan (válvulas de pseudoespín)

La GMR también se puede observar en ausencia de capas de acoplamiento antiferromagnéticas. En este caso, la magnetorresistencia resulta de las diferencias en las fuerzas coercitivas (por ejemplo, es menor en el caso del permalloy que del cobalto). En multicapas como permalloy/Cu/Co/Cu, el campo magnético externo cambia la dirección de magnetización de saturación a paralela en campos fuertes y a antiparalela en campos débiles. Dichos sistemas exhiben un campo de saturación más bajo y un δ _H mayor que las superredes con acoplamiento antiferromagnético. ^[39] Se observa un efecto similar en las estructuras Co/Cu. La existencia de estas estructuras significa que GMR no requiere acoplamiento entre capas y puede originarse a partir de una distribución de los momentos magnéticos que pueden ser controlados por un campo externo. ^[41]

Efecto GMR inverso

En el GMR inverso, la resistencia es mínima para la orientación antiparalela de la magnetización en las capas. Se observa GMR inversa cuando las capas magnéticas están compuestas de diferentes materiales, como NiCr/Cu/Co/Cu. La resistividad de los electrones con espines opuestos se puede escribir como ; tiene diferentes valores, es decir, diferentes coeficientes β, para electrones de espín ascendente y descendente. Si la capa de NiCr no es demasiado delgada, su contribución puede exceder la de la capa de Co, lo que resulta en una GMR inversa. ^[24] Tenga en cuenta que la inversión GMR depende del signo del producto de los coeficientes β en capas ferromagnéticas adyacentes, pero no de los signos de los coeficientes individuales. ^[34] ${\displaystyle \rho _{\uparrow ,\downarrow }={\frac {2\rho _{F}}{1\pm \beta }}}$

También se observa GMR inversa si la aleación de NiCr se reemplaza por níquel dopado con vanadio, pero no cuando el níquel se dopa con hierro, cobalto, manganeso, oro o cobre. ^[42]

GMR en estructuras granulares.

La GMR en aleaciones granulares de metales ferromagnéticos y no magnéticos se descubrió en 1992 y posteriormente se explicó por la dispersión de los portadores de carga, dependiente del espín, en la superficie y en la mayor parte de los granos. Los granos forman grupos ferromagnéticos de unos 10 nm de diámetro incrustados en un metal no magnético, formando una especie de superred. Una condición necesaria para el efecto GMR en tales estructuras es la escasa solubilidad mutua de sus componentes (p. ej., cobalto y cobre). Sus propiedades dependen en gran medida de la temperatura de medición y de recocido. También pueden exhibir GMR inversa. ^{[32] [43]}

Aplicaciones

Sensores de válvula de giro

Principio general

Una copia del sensor GMR desarrollado por Peter Grünberg

Una de las principales aplicaciones de los materiales GMR es en sensores de campo magnético, por ejemplo, en discos duros ^[25] y biosensores, ^[31] así como detectores de oscilaciones en MEMS. ^[31] Un sensor típico basado en GMR consta de siete capas:

1. sustrato de silicio,
2. capa aglutinante,
3. Capa sensora (no fija),
4. Capa no magnética,
5. capa fija,
6. Capa antiferromagnética (fijación),
7. Capa protectora.

Las capas aglutinantes y protectoras suelen estar hechas de tantalio , y un material no magnético típico es el cobre. En la capa sensora, la magnetización puede ser reorientada por el campo magnético externo; Normalmente está hecho de NiFe o aleaciones de cobalto. Para la capa antiferromagnética se puede utilizar FeMn o NiMn. La capa fija está hecha de un material magnético como el cobalto. Un sensor de este tipo tiene un bucle de histéresis asimétrico debido a la presencia de la capa fija magnéticamente dura. ^{[44] [45]}

Las válvulas de giro pueden exhibir magnetorresistencia anisotrópica, lo que conduce a una asimetría en la curva de sensibilidad. ^[46]

Discos Duros

En las unidades de disco duro (HDD), la información se codifica mediante dominios magnéticos , y un cambio en la dirección de su magnetización se asocia con el nivel lógico 1, mientras que ningún cambio representa un 0 lógico. Existen dos métodos de grabación: longitudinal y perpendicular.

En el método longitudinal, la magnetización es normal a la superficie. Entre los dominios se forma una región de transición (paredes de dominio), en la que el campo magnético sale del material. Si la pared del dominio está ubicada en la interfaz de dos dominios del polo norte, entonces el campo se dirige hacia afuera y, para dos dominios del polo sur, se dirige hacia adentro. Para leer la dirección del campo magnético sobre la pared del dominio, la dirección de magnetización se fija normal a la superficie en la capa antiferromagnética y paralela a la superficie en la capa sensora. Cambiar la dirección del campo magnético externo desvía la magnetización en la capa sensora. Cuando el campo tiende a alinear las magnetizaciones en las capas sensora y fija, la resistencia eléctrica del sensor disminuye y viceversa. ^[47]

RAM magnética

El uso de una válvula de giro en MRAM. 1: válvula de giro como celda de memoria (las flechas indican la presencia de capas ferromagnéticas), 2: línea de fila, 3: línea de columna. Las elipses con flechas indican las líneas del campo magnético alrededor de las líneas de fila y columna cuando la corriente eléctrica fluye a través de ellas.

Una celda de memoria de acceso aleatorio magnetorresistiva (MRAM) tiene una estructura similar al sensor de válvula de giro. El valor de los bits almacenados se puede codificar mediante la dirección de magnetización en la capa del sensor; se lee midiendo la resistencia de la estructura. Las ventajas de esta tecnología son la independencia del suministro de energía (la información se conserva cuando se corta la energía debido a la barrera potencial para reorientar la magnetización), el bajo consumo de energía y la alta velocidad. ^[25]

En una unidad de almacenamiento típica basada en GMR, una estructura CIP está ubicada entre dos cables orientados perpendicularmente entre sí. Estos conductores se llaman líneas de filas y columnas. Los pulsos de corriente eléctrica que pasan a través de las líneas generan un campo magnético de vórtice que afecta la estructura del GMR. Las líneas de campo tienen forma de elipsoide y la dirección del campo (en sentido horario o antihorario) está determinada por la dirección de la corriente en la línea. En la estructura GMR, la magnetización está orientada a lo largo de la línea.

La dirección del campo producido por la línea de la columna es casi paralela a los momentos magnéticos, y no puede reorientarlos. La línea de la fila es perpendicular y, independientemente de la magnitud del campo, la magnetización puede girar sólo 90°. Con el paso simultáneo de pulsos a lo largo de las líneas de fila y columna, todo el campo magnético en la ubicación de la estructura GMR se dirigirá en un ángulo agudo con respecto a un punto y obtuso con respecto a otros. Si el valor del campo excede algún valor crítico, este último cambia de dirección.

Existen varios métodos de almacenamiento y lectura para la celda descrita. En un método, la información se almacena en la capa de detección; se lee mediante medición de resistencia y se borra al leer. En otro esquema, la información se mantiene en la capa fija, lo que requiere corrientes de registro más altas en comparación con las corrientes de lectura. ^[48]

La magnetorresistencia de túnel (TMR) es una extensión de la GMR de válvula de espín, en la que los electrones viajan con sus espines orientados perpendicularmente a las capas a través de una delgada barrera aislante de túnel (que reemplaza al espaciador no ferromagnético). Esto permite lograr una impedancia mayor, un valor de magnetorresistencia mayor (~10 × a temperatura ambiente) y una dependencia de la temperatura insignificante. TMR ha reemplazado ahora a GMR en MRAM y unidades de disco , en particular para altas densidades de área y grabación perpendicular. ^[49]

Otras aplicaciones

Los aisladores magnetorresistivos para la transmisión de señales sin contacto entre dos partes eléctricamente aisladas de circuitos eléctricos se demostraron por primera vez en 1997 como una alternativa a los optoaisladores . Un puente de Wheatstone formado por cuatro dispositivos GMR idénticos es insensible a un campo magnético uniforme y reacciona sólo cuando las direcciones del campo son antiparalelas en los brazos vecinos del puente. Estos dispositivos se informaron en 2003 y pueden usarse como rectificadores con una respuesta de frecuencia lineal. ^[31]

Notas

1. Este esquema no incluye histéresis porque la forma de su bucle en superredes depende en gran medida del espesor de la capa no magnética d. Fert observó una histéresis clara, con un campo de saturación de ~4 kG y una magnetización remanente del 60% del valor de saturación, en d _Cu = 1,8 nm. Cuando d _Cu se redujo a 0,9 nm, la GMR alcanzó un máximo, pero el bucle de histéresis colapsó; el campo de saturación aumentó a 20 kG, pero el campo remanente era muy pequeño. (Baibich et al. 1988)

Citas

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enlaces externos

• Magnetorresistencia gigante: la gran idea detrás de una herramienta muy pequeña Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético
• Presentación de la técnica GMR (IBM Research) Archivado el 11 de enero de 2012 en Wayback Machine.