Una válvula de giro 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 giro 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 (sin fijar) y se comporta como una capa "suave". Debido a la diferencia de coercitividad, la capa blanda cambia de polaridad con una intensidad de campo magnético aplicada menor que la capa dura. Tras la aplicación de un campo magnético de 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 giro se atribuye al Dr. Stuart Parkin [1] y su equipo en el 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 los estados de los electrones en la energía de Fermi en los ferromagnetos, se produce una polarización neta de espín. Por lo tanto, una corriente eléctrica que pasa a través de un ferroimán transporta tanto carga como un componente de espín. En comparación, un metal normal tiene el mismo número de electrones con espines hacia arriba y hacia abajo, por lo que, en situaciones de equilibrio, dichos materiales pueden sostener una corriente de carga con un componente de espín neto cero. Sin embargo, al pasar una corriente de un ferroimán a un metal normal, es posible transferir el espín. Por tanto, un metal normal puede transferir espín entre ferroimanes separados, sujeto a una longitud de difusión de espín suficientemente larga .
Spin transmission depends on the alignment of magnetic moments in the ferromagnets. If a current is passing into a ferromagnet whose majority spin is spin up, for example, then electrons with spin up will pass through relatively unhindered, while electrons with spin down will either 'reflect' or spin flip scatter to spin up upon encountering the ferromagnet to find an empty energy state in the new material. Thus if both the fixed and free layers are polarised in the same direction, the device has relatively low electrical resistance, whereas if the applied magnetic field is reversed and the free layer's polarity also reverses, then the device has a higher resistance due to the extra energy required for spin flip scattering.
An antiferromagnetic layer is required to pin one of the ferromagnetic layers (i.e., make it fixed or magnetically hard). This results from a large negative exchange coupling energy between ferromagnets and antiferromagnets in contact.
The non-magnetic layer is required to decouple the two ferromagnetic layers so that at least one of them remains free (magnetically soft).
The basic operating principles of a pseudo spin valve are identical to that of an ordinary spin valve, but instead of changing the magnetic coercivity of the different ferromagnetic layers by pinning one with an antiferromagnetic layer, the two layers are made of different ferromagnets with different coercivities e.g., NiFe and Co. Note that coercivities are largely an extrinsic property of materials and thus determined by processing conditions.
Spin valves are used in magnetic sensors and hard disk read heads.[2] They are also used in magnetic random access memories (MRAM).