Колоссальное магнитосопротивление: свойства, механизмы и перспективы применения.
Colossal magnetoresistance
Колоссальное магнитосопротивление (КМС): свойство материалов резко менять сопротивление в магнитном поле. Применение в HDD, но требует низких температур.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Колоссальное магнитосопротивление (КМС) – свойство некоторых материалов, преимущественно перовскитных оксидов на основе марганца, позволяющее им значительно изменять своё электрическое сопротивление под воздействием магнитного поля. Магнитосопротивление обычных материалов обеспечивает изменение сопротивления до 5%, но материалы, демонстрирующие КМС, могут показывать изменения сопротивления на несколько порядков. Эта технология может найти применение в головках чтения и записи дисков, что позволит увеличить плотность данных на жестких дисках. Однако на данный момент она не привела к практическому применению из-за необходимости низких температур и громоздкого оборудования.
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.
История
Первоначально обнаруженный в смешанных валентных перовскитовых марганцитах в 1950-х годах Г. Х. Джонкером и Дж. Х. ван Сантеном, первый теоретический анализ в рамках механизма двойного обмена был предложен вскоре после этого. В этой модели спиновая ориентация соседних моментов Mn связана с кинетическим обменом электронов *e<sub>g</sub>*. Следовательно, выравнивание спинов Mn внешним магнитным полем приводит к увеличению проводимости. Значительные экспериментальные работы были проведены Волгером, Волланом и Кёлером, а позднее – Джираком и др. и Pollert et al. Однако модель двойного обмена не смогла адекватно объяснить высокое удельное сопротивление, характерное для изоляторов, при температурах выше температуры перехода. В 1990-х годах работы Р. фон Гельмольта и др. и Джин и др. положили начало большому количеству последующих исследований. Несмотря на то, что полное понимание этого явления до сих пор отсутствует, существует множество теоретических и экспериментальных работ, углубляющих понимание соответствующих эффектов.
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
Одна из наиболее известных моделей – так называемая полуметаллическая ферромагнитная модель, которая основана на расчетах спин-поляризованной (SP) зонной структуры с использованием локального приближения плотности спина (LSDA) в рамках теории функционала плотности (DFT), где отдельные расчеты проводятся для электронов с прямым и обратным спином. Полуметаллическое состояние характеризуется наличием металлической зоны для электронов с мажоритарным спином и неметаллической зоны для электронов с миноритарным спином в ферромагнитной фазе. Эта модель отличается от модели Стонера для блуждающего ферромагнетизма. В модели Стонера высокая плотность состояний на уровне Ферми делает немагнитное состояние нестабильным. В SP-расчетах ковалентных ферромагнетов с использованием функционалов DFT LSDA интеграл обменного взаимодействия заменяет параметр Стонера. Плотность состояний на уровне Ферми не играет здесь существенной роли. Важным преимуществом полуметаллической модели является то, что она не требует наличия смешанной валентности, как механизм двойного обмена, и поэтому может объяснить наблюдение колоссального магнитосопротивления (КМР) в стехиометрических фазах, таких как пирохлор. Также исследованы микроструктурные эффекты в поликристаллических образцах, и было установлено, что магнитосопротивление часто определяется туннелированием спин-поляризованных электронов между зернами, что приводит к внутренней зависимости магнитосопротивления от размера зерна. Полное количественное понимание эффекта КМР остается недостижимым и продолжает быть предметом активных исследований. Первоначальные перспективы разработки новых технологий на основе КМР пока не реализовались.
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.