Спиновый клапан

Спиновый клапан — это устройство, состоящее из двух или более проводящих магнитных материалов, электрическое сопротивление которых может изменяться между двумя значениями в зависимости от относительного выравнивания намагниченности в слоях. Изменение сопротивления является результатом гигантского магниторезистивного эффекта . Магнитные слои устройства выравниваются «вверх» или «вниз» в зависимости от внешнего магнитного поля . В простейшем случае спиновый клапан состоит из немагнитного материала, зажатого между двумя ферромагнетиками , один из которых зафиксирован (закреплен) антиферромагнетиком , который повышает его магнитную коэрцитивность и ведет себя как «жесткий» слой, в то время как другой свободен (не закреплен) и ведет себя как «мягкий» слой. Из-за разницы в коэрцитивности мягкий слой меняет полярность при более низкой напряженности приложенного магнитного поля, чем жесткий. При приложении магнитного поля соответствующей напряженности мягкий слой переключает полярность, создавая два различных состояния: параллельное состояние с низким сопротивлением и антипараллельное состояние с высоким сопротивлением. Изобретение спиновых клапанов приписывают доктору Стюарту Паркину ^[1] и его команде в исследовательском центре IBM Almaden . В настоящее время доктор Паркин занимает должность управляющего директора Института микроструктурной физики Макса Планка в Галле, Германия.

Спиновые клапаны работают из-за квантового свойства электронов (и других частиц), называемого спином . Из-за расщепления плотности состояний электронов при энергии Ферми в ферромагнетиках существует чистая спиновая поляризация. Электрический ток, проходящий через ферромагнетик, поэтому переносит как заряд, так и спиновую составляющую. Для сравнения, нормальный металл имеет равное количество электронов со спинами вверх и вниз, поэтому в равновесных ситуациях такие материалы могут поддерживать ток заряда с нулевой чистой спиновой составляющей. Однако, пропуская ток из ферромагнетика в нормальный металл, возможен перенос спина. Таким образом, нормальный металл может переносить спин между отдельными ферромагнетиками при условии достаточно большой длины спиновой диффузии .

Передача спина зависит от выравнивания магнитных моментов в ферромагнетиках. Например, если ток проходит в ферромагнетик, у которого спин направлен вверх, то электроны со спином вверх пройдут относительно беспрепятственно, в то время как электроны со спином вниз либо «отразятся», либо рассеются с переворотом спина на спин вверх при столкновении с ферромагнетиком, чтобы найти пустое энергетическое состояние в новом материале. Таким образом, если и фиксированный, и свободный слои поляризованы в одном направлении, устройство имеет относительно низкое электрическое сопротивление, тогда как если приложенное магнитное поле меняется на противоположное и полярность свободного слоя также меняется на противоположную, то устройство имеет более высокое сопротивление из-за дополнительной энергии, необходимой для рассеяния с переворотом спина.

Антиферромагнитный слой необходим для закрепления одного из ферромагнитных слоев (т. е. для придания ему фиксированного или магнитно-жесткого характера). Это происходит из-за большой отрицательной обменной энергии связи между ферромагнетиками и антиферромагнетиками, находящимися в контакте.

Немагнитный слой необходим для разделения двух ферромагнитных слоев таким образом, чтобы хотя бы один из них оставался свободным (магнитно-мягким).

Основные принципы работы псевдоспинового клапана идентичны принципам работы обычного спинового клапана, но вместо изменения магнитной коэрцитивной силы различных ферромагнитных слоев путем закрепления одного из них антиферромагнитным слоем, два слоя изготавливаются из различных ферромагнетиков с различной коэрцитивной силой, например, NiFe и Co. Обратите внимание, что коэрцитивная сила в значительной степени является внешним свойством материалов и, таким образом, определяется условиями обработки.

Спиновые клапаны используются в магнитных датчиках и считывающих головках жестких дисков . ^[2] Они также используются в магнитных запоминающих устройствах с произвольным доступом ( MRAM ).

• Крутящий момент при передаче вращения
• Магнитный туннельный переход
• Взаимодействие РККИ