Магниттік өтімділіктің күрт өзгеруі: Материалдар мен теориялар
Colossal magnetoresistance
Қосымша магниттік қарсылық (CMR) – марганец негізгі перовскиттердің электр кедергісін магнит өрісінде өте үлкен өзгерту қабілеті. Жаңа технология, дискілерде қолданылуы мүмкін.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Colossal magnetoresistance (CMR) – негізінен марганец негізіндегі перовскит оксидтерінен құралған кейбір материалдардың магнит өрісі әсерінен электрлік кедергісін күрт өзгерту қабілеті. Дәстүрлі материалдардың магниттік кедергісі кедергіде 5%-ға дейін өзгеріске мүмкіндік береді, ал CMR қасиетіне ие материалдар кедергіде бірнеше есе үлкен өзгерістерді көрсете алады. Бұл технология дискілерді оқу және жазу құрылғыларында қолданылуы мүмкін, соның арқасында қатты дискілердегі дерек тығыздығын арттыруға болады. Дегенмен, қазірге дейін ол практикалық қолдануға ие болған жоқ, себебі оған төмен температура және көлемді жабдықтар қажет.
Colossal magnetoresistance (CMR) is a property of some materials, mostly manganese based perovskite oxides, that enables them to dramatically change their electrical resistance in the presence of a magnetic field. The magnetoresistance of conventional materials enables changes in resistance of up to 5%, but materials featuring CMR may demonstrate resistance changes by orders of magnitude. This technology may find uses in disk read and write heads, allowing for increases in hard disk drive data density. However, so far it has not led to practical applications because it requires low temperatures and bulky equipment.
Тарих
Бастапқыда 1950 жылдары Г.Х. Джонкер мен Дж.Х. ван Сантен аралас валентті перовскит манганиттерінде ашылған, екі есе алмасу механизмі тұрғысынан алғашқы теориялық сипаттама одан әрі берілді. Бұл модельде, жақын орналасқан Mn моменттерінің спиндік бағыты eg электрондарының кинетикалық алмасуымен байланысты. Осылайша, сыртқы магнит өрісімен Mn спиндерін бағыттау жоғары өткізгіштікке әкеледі. Тиісті тәжірибелік жұмыстарды Волгер, Волан және Кёлер, кейін Жирак және басқалар, сондай-ақ Pollert және басқалар жүргізді. Дегенмен, екі есе алмасу моделі, өту температурасынан жоғары оқшаулану сияқты жоғары кедергіні толыққанды түсіндіре алмады. 1990 жылдары Р. фон Хельмольт және басқалар, және Jin және басқалар жұмыстары көптеген қосымша зерттеулерге бастама берді. Бұл құбылыс әлі толыққанды түсінілмесе де, теориялық және тәжірибелік жұмыстардың көптеген түрлері тиісті әсерлерді тереңірек түсінуге көмектеседі.
Initially discovered in mixed valence perovskite manganites in the 1950s by G. H. Jonker and J. H. van Santen, a first theoretical description in terms of the double exchange mechanism was given early on. In this model, the spin orientation of adjacent Mn moments is associated with kinetic exchange of eg electrons. Consequently, alignment of the Mn spins by an external magnetic field causes higher conductivity. Relevant experimental work was done by Volger, Wollan and Koehler, and later on by Jirak et al. and Pollert et al. However, the double exchange model did not adequately explain the high insulating like resistivity above the transition temperature. In the 1990s, work by R. von Helmolt et al. and Jin et al. initiated a large number of further studies. Although there is still no complete understanding of the phenomenon, there is a variety of theoretical and experimental work providing a deeper understanding of the relevant effects.
Теория
Бір көрнекті модель – жартылай металл ферромагниттік модель, ол тығыздық функционалдық теориясының (DFT) жергілікті спин тығыздығының шамасын (LSDA) пайдалана отырып, спин поляризацияланған (SP) жолақты құрылымды есептеулерге негізделген, онда спин жоғары және спин төмен электрондар үшін бөлек есептеулер жүргізіледі. Жартылай металл күйі ферромагниттік фазада металл басым спин жолағының және металл емес азшылық спин жолағының болуымен қатар жүреді. Бұл модель Стонердің көшпелі ферромагнетизм моделінен өзгеше. Стонер моделінде Ферми деңгейіндегі жоғары тығыздық магниттік емес күйді тұрақсыз етеді. DFT LSDA функционалдарын пайдалана отырып, ковалентті ферромагниттердің SP есептеулерінде алмасу-корреляциялық интеграл Стонер параметрінің орнын алады. Ферми деңгейіндегі күйлердің тығыздығы ерекше рөл атқармайды. Жартылай металл модельінің маңызды артықшылығы – ол қос алмасу механизмі сияқты аралас валенттіліктің болуына сүйенбейді, сондықтан ол пироклор сияқты стехиометриялық фазалардағы КМР құбылысын түсіндіре алады. Поликристалликалық үлгілердегі микроқұрылымдық әсерлер де зерттелді, және магниттік қарсылықтың көбінесе дәндер арасында спин поляризацияланған электрондардың туннельдеуінен туындайтыны анықталды, нәтижесінде магниттік қарсылықтың дәндер өлшеміне ішкі тәуелділігі бар. КМР әсерін толыққанды түсіну әлі де қиын, және ол қазіргі таңдағы көптеген зерттеулердің нысаны болып табылады. КМР негізіндегі жаңа технологияларды дамытуға қатысты алғашқы үміттер әзірге орындалмады.
One prominent model is the so called half metallic ferromagnetic model, which is based on spin polarized (SP) band structure calculations using the local spin density approximation (LSDA) of the density functional theory (DFT) where separate calculations are carried out for spin up and spin down electrons. The half metallic state is concurrent with the existence of a metallic majority spin band and a nonmetallic minority spin band in the ferromagnetic phase. This model is not the same as the Stoner Model of itinerant ferromagnetism. In the Stoner model, a high density of states at the Fermi level makes the nonmagnetic state unstable. In SP calculations of covalent ferromagnets using DFT LSDA functionals, the exchange correlation integral takes the place of the Stoner parameter. The density of states at the Fermi level does not play a special role. A significant advantage of the half metallic model is that it does not rely on the presence of mixed valency as does the double exchange mechanism and it can therefore explain the observation of CMR in stoichiometric phases like the pyrochlore Microstructural effects in polycrystalline samples have also been investigated and it has been found that the magnetoresistance is often dominated by the tunneling of spin polarized electrons between grains, resulting in the magnetoresistance having an intrinsic dependence on grain size. A fully quantitative understanding of the CMR effect remains elusive and it is still the subject of much current research. Early promises of the development of new CMR based technologies have not yet come to fruition.