Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Спин клапан – екі немесе одан көп өткізгіш магниттік материалдардан тұратын құрылғы, оның электрлік кедергісі қабаттардағы магниттелудің салыстырмалы бағытына қарай екі мән арасында өзгеруі мүмкін. Кедергінің өзгеруі алып магниторезистивтік эффектінің нәтижесі болып табылады. Құрылғының магниттік қабаттары сыртқы магнит өрісіне байланысты "жоғары" немесе "төмен" бағытталады. Ең қарапайым жағдайда, спин клапан екі ферромагниттің арасына орналасқан магниттік емес материалдан тұрады, олардың біреуі антиферромагнитпен бекітіледі (қатты қабаттандырылады), ол магниттік кернеуін арттырып, "қатты" қабат ретінде әрекет етеді, ал екіншісі бос (қатты қабаттандырылмаған) және "жұмсақ" қабат ретінде әрекет етеді. Кернеушілік айырмашылығына байланысты, жұмсақ қабат қатты қабатқа қарағанда төмен магнит өрісі күшінде полярлығын өзгертеді. Тиісті күшті магнит өрісі қолданғанда, жұмсақ қабат полярлығын ауыстырып, екі ерекше күй тудырады: параллель, төмен кедергілі күй және антипараллель, жоғары кедергілі күй. Спин клапанды доктор Стюарт Паркин және оның командасы IBM Almaden Research Centre-де ойлап тапқан. Доктор Паркин қазір Германияның Галле қаласындағы Макс Планк микроқұрылымдық физика институтының директоры қызметін атқарады.
A spin valve is a device, consisting of two or more conducting magnetic materials, whose electrical resistance can change between two values depending on the relative alignment of the magnetization in the layers. The resistance change is a result of the giant magnetoresistive effect. The magnetic layers of the device align "up" or "down" depending on an external magnetic field. In the simplest case, a spin valve consists of a non magnetic material sandwiched between two ferromagnets, one of which is fixed (pinned) by an antiferromagnet which acts to raise its magnetic coercivity and behaves as a "hard" layer, while the other is free (unpinned) and behaves as a "soft" layer. Due to the difference in coercivity, the soft layer changes polarity at lower applied magnetic field strength than the hard one. Upon application of a magnetic field of appropriate strength, the soft layer switches polarity, producing two distinct states: a parallel, low resistance state, and an antiparallel, high resistance state. The invention of spin valves is credited to Dr. Stuart Parkin and his team at IBM Almaden Research Centre. Dr. Parkin is now serving as the Managing Director of the Max Planck Institute of Microstructure Physics in Halle, Germany.
Қалай жұмыс істейді
Спин клапандары спин деп аталатын электронның (және басқа бөлшектердің) кванттық қасиетінің арқасында жұмыс істейді. Ферромагниттердегі Ферми энергиясы деңгейіндегі электрондық күйлер тығыздығының айырылуына байланысты, таза спин поляризациясы пайда болады. Сондықтан ферромагнит арқылы өтетін электр тогы зарядты және спин компонентін бірге тасымалдайды. Керісінше, қалыпты металда спині жоғары және төмен электрон саны тең болады, сондықтан тепе-теңдік жағдайында мұндай материалдар нөлдік таза спин компонентімен зарядтық токты жүргізе алады. Дегенмен, ферромагниттен қалыпты металға ток жібергенде спин берілуі мүмкін. Осылайша, қалыпты металл, егер спин диффузиялық ұзындығы жеткілікті болса, жеке ферромагниттер арасында спинді тасымалдай алады. Спин тасымалдануы ферромагниттердегі магниттік моменттердің бағытталуына байланысты. Мысалы, егер ток спині жоғары бағытталған басым спині бар ферромагнитке өтіп жатса, онда спині жоғары электрондар салыстырмалы түрде кедергісіз өтеді, ал спині төмен электрондар ферромагнитке кездескенде, жаңа материалда бос энергия күйін табу үшін "кері шағылысып" немесе спин флип шашырауы арқылы спинін өзгертеді. Осылайша, егер бекітілген және еркін қабаттар бірдей бағытта поляризацияланса, құрылғының электрлік кедергісі салыстырмалы түрде төмен болады, ал егер сыртқы магнит өрісі кері бұрылып, еркін қабаттың поляризациясы да кері бұрылса, онда құрылғының кедергісі артады, себебі спин флип шашырауы үшін қосымша энергия қажет болады.
Spin valves work because of a quantum property of electrons (and other particles) called spin. Due to a split in the density of states of electrons at the Fermi energy in ferromagnets, there is a net spin polarisation. An electric current passing through a ferromagnet therefore carries both charge and a spin component. In comparison, a normal metal has an equal number of electrons with up and down spins so, in equilibrium situations, such materials can sustain a charge current with a zero net spin component. However, by passing a current from a ferromagnet into a normal metal it is possible for spin to be transferred. A normal metal can thus transfer spin between separate ferromagnets, subject to a long enough spin diffusion length. 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.
Антиферромагниттік және магниттік емес қабаттар
Антиферромагниттік қабаттың біреуін ферромагниттік қабаттардың бірін бекіту үшін (яғни, оны тұрақтандыру немесе магниттік тұйық болуын қамтамасыз ету үшін) қажет. Бұл ферромагниттер мен антиферромагниттердің жанасқан кездегі үлкен теріс алмасу энергиясынан туындайды. Магниттік емес қабат екі ферромагниттік қабатты өзара байланыстан ажырату үшін қажет, соның арқасында олардың кем дегенде біреуі еркін (магниттік жұмсақ) күйде қалады.
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).
Псевдо-спин клапандары
Псевдо-спин клапанның негізгі жұмыс принциптері қарапайым спин клапанға ұқсас, бірақ әртүрлі ферромагниттік қабаттардың магниттік коэрситивтігін антиферромагниттік қабатпен біреуін бекіту арқылы емес, екі қабатты әртүрлі коэрситивті ферромагниттерден – мысалы, NiFe және Co – жасау арқылы өзгертеді. Коэрситивтілік көбінесе материалдардың сыртқы қасиеті екенін және осылайша өңдеу шарттарымен анықталатынын ескеріңіз.
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.
Қолданбалар
Спин клапандары магниттік сенсорларда және қатты дискінің оқу басында қолданылады. Олар сондай-ақ магниттік кездейсоқ сәйкес жадтарда (MRAM) да қолданылады.
Spin valves are used in magnetic sensors and hard disk read heads. They are also used in magnetic random access memories (MRAM).