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 denominarse magnetorresistencia. Algunos ocurren en semiconductores y metales no magnéticos en masa, como la magnetorresistencia geométrica, las oscilaciones de Shubnikov-de Haas o la magnetorresistencia positiva común en los metales. ^[1] Otros efectos ocurren en metales magnéticos, como la magnetorresistencia negativa en los ferromagnetos ^[2] o la magnetorresistencia anisotrópica (AMR). Finalmente, en sistemas multicomponente o multicapa (por ejemplo, uniones de túnel magnético), se puede 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 fue incapaz de reducir la resistencia eléctrica de nada en más de un 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 situaciones en las que depende directamente de un campo magnético (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) descubrió por primera vez la magnetorresistencia ordinaria en 1856. ^[4] Experimentó con piezas de hierro y descubrió que la resistencia aumenta cuando la corriente está en la misma dirección que la fuerza magnética y disminuye cuando la corriente está a 90° a la fuerza magnética. Luego hizo el mismo experimento con el níquel y descubrió que éste se veía afectado de la misma manera pero la magnitud del efecto era mayor. Este efecto se conoce como magnetorresistencia anisotrópica (AMR).

Animación sobre gráficas relacionadas con el descubrimiento de la magnetorresistencia gigante .

Disco Corbino. Con el campo magnético apagado, fluye una corriente radial 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 apunta directamente fuera de la pantalla), la fuerza de Lorentz impulsa una componente circular de corriente y la resistencia entre los bordes interior y exterior aumenta. Este aumento de 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 del campo magnético sobre la corriente eléctrica se puede estudiar en un disco Corbino (ver Figura). Consiste en un anillo conductor con bordes perfectamente conductores. Sin campo magnético, la batería impulsa una corriente radial entre las llantas. Cuando se aplica un campo magnético perpendicular al plano del anillo (ya sea dentro o fuera de la página), también fluye una componente circular de corriente, debido a la fuerza de Lorentz . El interés inicial en este problema comenzó con Boltzmann en 1886, y Corbino lo reexaminó de forma independiente 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:

${\displaystyle \mathbf {v} =\mu \left(\mathbf {E} +\mathbf {v\times B} \right),\ }$

donde μ es la movilidad del portador. Resolviendo para la velocidad, encontramos:

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

donde la reducción efectiva de 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 al aumentar el campo magnético y, por lo tanto, aumentará la resistencia del dispositivo. Fundamentalmente, este escenario magnetorresistivo depende en gran medida de la geometría del dispositivo y de las líneas de corriente y no depende de materiales magnéticos.

En un semiconductor con un tipo de portador único, la magnetorresistencia es proporcional a (1 + ( μB ) ² ), donde μ es la movilidad del semiconductor (unidades m ² ·V ⁻¹ ·s ⁻¹ o T  ⁻¹ ) y B es la campo magnético (unidades teslas ). El antimonuro de indio , un ejemplo de semiconductor de alta movilidad, podría tener una movilidad electrónica superior a 4 m ² ·V ⁻¹ ·s ⁻¹ a 300 K. Así, en un campo de 0,25 T, por ejemplo, el aumento de la magnetorresistencia sería del 100%.

Magnetorresistencia anisotrópica (AMR)

Aquí se muestra la resistencia de una fina película 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 del ángulo entre la dirección de la corriente eléctrica y la dirección de 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 Sección 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 RAM 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 provocada por la rotación de los momentos magnéticos (mientras que para algunas direcciones de momentos magnéticos, el sistema es semimetálico, para otras direcciones se abre un hueco).

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 una resistividad transversal denominada (de manera algo confusa[1]) efecto Hall plano. En los monocristales, la resistividad también depende de cada individuo. ${\displaystyle \rho }$ ${\displaystyle \rho _{\parallel ,\perp }}$ ${\displaystyle \varphi =0}$ ${\displaystyle 90^{\circ }}$ ${\displaystyle \rho }$ ${\displaystyle \psi ,\theta }$

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 película delgada, 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 ' barber pole '.

El efecto AMR se utiliza en una amplia gama de sensores para medir el campo magnético de la Tierra ( brújula electrónica ), para medir la corriente eléctrica (midiendo el campo magnético creado alrededor del conductor), para la detección de tráfico y para la detección de posición lineal y ángulo. 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 del ratio AMR para aleaciones basadas en 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 de órbita de giro (llamada ), un campo de intercambio y una resistividad para el giro , respectivamente. Además, recientemente, Satoshi Kokado et al. ^{[13] [14]} han obtenido la expresión general de la relación AMR para ferromagnetos de metales de transición tridimensionales extendiendo la teoría CFJ a una más general. La expresión general también se puede aplicar a los semimetales. ${\displaystyle \gamma =(3/4)(A/H)^{2}}$ ${\displaystyle \alpha =\rho _{\downarrow }/\rho _{\uparrow }}$ ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle H}$ ${\displaystyle \rho _{\sigma }}$ ${\displaystyle \zeta }$ ${\displaystyle \sigma }$

Ver también

• Magnetorresistencia gigante
• Magnetorresistencia de túnel
• Magnetorresistencia colosal
• Extraordinaria magnetorresistencia
• Memoria de acceso aleatorio magnetorresistiva

Notas a pie de página

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

Referencias

1. Pippard, AB (1989). Magnetorresistencia en metales. Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN 978-0-521-32660-5.
2. Coleman, RV; Isin, A. (1966), "Magnetoresistancia en cristales individuales 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 sobre la conductividad eléctrica del níquel y del hierro", Proc. R. Soc. Londres. , 8 : 546–550, doi : 10.1098/rspl.1856.0144
5. 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 de la inducción electromagnética". EPL . 81 (6): 60002. arXiv : 1502.00502 . Código Bib : 2008EL..... 8160002G. doi :10.1209/0295-5075/81/60002. S2CID  14917438.
7. Ritzinger, Philipp; Vyborny, Karel (2023). "Magnetorresistencia anisotrópica: Materiales, modelos y aplicaciones". Ciencia abierta de la Royal Society . 10 (10). arXiv : 2212.03700 . Código Bib : 2023RSOS...1030564R. doi :10.1098/rsos.230564. PMID  37859834.
8. McGuire, T.; Alfarero, R. (1975). "Magnetorresistencia anisotrópica en aleaciones ferromagnéticas 3d" (PDF) . Transacciones IEEE sobre magnetismo . 11 (4): 1018–38. Código bibliográfico : 1975ITM....11.1018M. doi :10.1109/TMAG.1975.1058782.
9. Wiśniewski, P. (2007). "Magnetorresistencia anisotrópica gigante y magnetotermopotencia en pnictidas de uranio cúbico 3:4". Letras de Física Aplicada . 90 (19): 192106. Código bibliográfico : 2007ApPhL..90s2106W. doi :10.1063/1.2737904.
10. Yang, Huali (2021). "Colosal magnetorresistencia angular en el semiconductor antiferromagnético EuTe ₂ ". Física. Rev. B. 104 (21): 214419. Código bibliográfico : 2021PhRvB.104u4419Y. doi : 10.1103/PhysRevB.104.214419. S2CID  245189642.
11. De Ranieri, E.; Rushforth, AW; Výborný, K.; Rana, U.; Ahmed, E.; Campión, RP; Foxon, CT; Gallagher, BL; Irvine, CA; Wunderlich, J.; Jungwirth, T. (10 de junio de 2008), "Efectos de 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. Física. 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 Bib : 2013arXiv1305.3517K. doi : 10.4028/www.scientific.net/AMR.750-752.978. S2CID  35733115.
15. Espiga, HX; Kawakami, RK; Awschalom, DD; Roukes, ML (marzo de 2003), "Efecto Hall plano 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