Óriás mágneses ellenállás

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

Az óriás mágneses ellenállást (Giant MagnetoResistance, GMR) 1988-ban fedezték fel.

A felfedezéséért 2007-ben fizikai Nobel-díjat kapott megosztva Albert Fert (1938- ) francia fizikus és Peter Grünberg (1939- ) német fizikus.[1]

A felfedezés jelentős szerepet játszik a különböző mágneses érzékelők és egy új generációjú elektronika, a spintronika kifejlődésében.

A mágneses anyagokban az ellenállás függ az anyag mágnesezettségétől. Először Lord Kelvin (1824 -1907) angol matematikus, mérnök, 150 évvel ezelőtt figyelte meg, hogy bizonyos ferromágneses anyagok (vas, kobalt, nikkel, stb.) ellenállása függ a külső mágneses tér irányától. Ezt a jelenséget anizotróp mágneses ellenállásnak nevezik (rövidítve AMR, az angol anisotropic magnetoresistance alapján). Korábbi olvasófejek, érzékelők e jelenség alapján működtek.

A jelenség fizikai magyarázata a spinben rejlik. A ferromágneses anyagban a felfelé és a lefelé álló spinű elektronállapotok eltérő száma, az ellenállás is jelentősen eltér a kétféle spinállapotú elektronra. Ha a spin iránya azonos a mágnesezettség irányával, akkor az ellenállás minimális, ha ellentétes irányú, akkor maximális.

A GMR szerkezetben a mért ellenállás a két ferromágneses réteg mágnesezettségének az iránya közti különbségtől függ. Ha a réteg széléhez kapcsolt elektródán bejövő elektronok spinje polarizálatlan, akkor két eset állhat elő: ha a két ferromágneses rétegben a mágnesezettség irány azonos, akkor a bejövő elektronok fele (azok az elektronok, amelyeknek a spinje azonos irányú a ferromágnes mágnesezettségével) könnyedén, csaknem szóródás nélkül átjutnak a két rétegen. Ekkor az ellenállás minimális. Ellentétes mágnesezettségű ferromágneses rétegek esetén, függetlenül a spinbeállástól, az egyik rétegben az elektronok szóródása erősebb lesz, és így megnő az ellenállás. Ez a fizikai alapja a GMR-hatásnak.  

Spinszelep

Az ábrán egy GMR szerkezet látható. Ez egy háromrétegű, úgynevezett spinszelep. Az FM = ferromágnes, NM = antiferromágnes, a nyilak oldalt mutatják a spin beállást, az FM rétegben a nyilak a mágnesezettség irányát mutatják.

Az áthaladó elektronok jobban szóródnak, ha két FM réteg mágnesezettségének iránya ellentétes és ilyenkor az ellenállás jóval nagyobb, mint akkor, amikor két FM réteg mágnesezettségének iránya azonos. Az ekvivalens elektromos ellenállás alul látható.

Az IBM munkatársai több tízezer különböző anyagból és vastagságú rétegből készült szendvicsszerkezetet próbáltak ki. Így sikerült megtalálni azt a szerkezetet, amely a legnagyobb GMR-hatást mutatja mind szobahőmérsékleten, mind gyenge mágneses tér mellett.

2003 óta minden számítógép olvasófejében ilyen GMR-alapú spinszelep található. A fej rendkívül érzékeny a tér kis változására is. Az olvasófej működését animáció mutatja. [2] A diszk, amelyen az információ mágnesesen van tárolva, az olvasófej előtt elhaladva változtatja a spinszelep ellenállását, és így az információ az áram változásaként olvasható ki.

GMR-alapú szerkezeteket használnak különböző mágneses érzékelőknél (szilárdtest iránytű, aknakereső detektor, stb.)

Az óriás mágneses ellenállás felfedezése nem csak egy új technológiai alkalmazáshoz vezetett, hanem egy új technika, a spintronika alapjait is megteremtette. A hagyományos elektronikai eszközök működése az elektronok töltéseinek áramlásán alapul. Az elektron spinjének nincs szerepe a működésben. A spintronikában a működés az elektronok spinjeinek szabályozásán alapul, és ennek kapcsán olyan logikai eszközök születhetnek, amelyek gyorsabbak és kevesebb hőt termelnek, így hűtésük könnyebben megoldható.

Irodalom[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Cserti József: Nobel-díj az ellenállásért, Természet Világa, 2008. április
  • Cserti József: Spintronika. Egy sokat ígérő szójáték, Természet Világa, 2005. szeptember

Külső hivatkozások[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Források[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]