Введение
Спин-клапан – это устройство, состоящее из двух или более проводящих магнитных материалов, электрическое сопротивление которого может изменяться между двумя значениями в зависимости от относительного направления намагниченности слоев. Изменение сопротивления является результатом гигантского магниторезистивного эффекта. Магнитные слои устройства ориентируются "вверх" или "вниз" под воздействием внешнего магнитного поля. В простейшем случае спин-клапан состоит из немагнитного материала, расположенного между двумя ферромагнетиками, один из которых фиксируется (закрепляется) антиферромагнетиком, повышающим его магнитную коэрцитивность и выполняющим роль "жесткого" слоя, а другой является свободным (не закрепленным) и ведет себя как "мягкий" слой. Благодаря разнице в коэрцитивности, мягкий слой изменяет свою полярность при меньшей напряженности магнитного поля, чем жесткий. При приложении магнитного поля достаточной силы, мягкий слой переключает полярность, формируя два различных состояния: параллельное, характеризующееся низким сопротивлением, и антипараллельное, характеризующееся высоким сопротивлением. Изобретение спин-клапанов приписывается доктору Стюарту Паркину и его команде из Исследовательского центра IBM Almaden. В настоящее время доктор Паркин занимает должность управляющего директора Института физики микроструктур имени Макса Планка в Галле, Германия.
Как это работает
Спин-клапаны работают благодаря квантовому свойству электронов (и других частиц), называемому спином. В ферромагнетиках происходит расщепление плотности состояний электронов на уровне энергии Ферми, что приводит к чистой спиновой поляризации. Электрический ток, проходящий через ферромагнит, таким образом, переносит как заряд, так и спиновую компоненту. В отличие от этого, в обычном металле количество электронов с направленными вверх и вниз спинами одинаково, поэтому в равновесном состоянии такие материалы могут проводить зарядный ток с нулевой чистой спиновой компонентой. Однако, пропуская ток из ферромагнита в обычный металл, можно осуществить передачу спина. Таким образом, обычный металл может передавать спин между отдельными ферромагнетиками, при условии достаточной длины диффузии спина. Передача спина зависит от взаимной ориентации магнитных моментов в ферромагнетиках. Например, если ток поступает в ферромагнит, у которого преобладающий спин направлен вверх, то электроны с направленным вверх спином будут проходить через него относительно свободно, а электроны с направленным вниз спином либо будут отражаться, либо рассеиваться с переворотом спина, чтобы при встрече с ферромагнетиком найти свободное энергетическое состояние в новом материале. Следовательно, если и фиксированный, и свободный слои поляризованы в одном направлении, устройство имеет относительно низкое электрическое сопротивление, в то время как при обращении приложенного магнитного поля и изменении полярности свободного слоя сопротивление устройства возрастает из-за дополнительной энергии, необходимой для рассеяния с переворотом спина.
Антиферромагнитные и немагнитные слои
Антиферромагнитный слой необходим для фиксации одного из ферромагнитных слоев (то есть для придания ему жесткости). Это обусловлено большим отрицательным энергией обменного взаимодействия между ферромагнетиками и антиферромагнетиками, находящимися в контакте. Немагнитный слой необходим для разделения двух ферромагнитных слоев, чтобы хотя бы один из них оставался свободным (магнитным).
Псевдо-спиновые клапаны
Основные принципы работы псевдоспинового клапана идентичны принципам работы обычного спинового клапана, но вместо изменения магнитной коэрцитивности различных ферромагнитных слоев путем закрепления одного из них антиферромагнитным слоем, два слоя изготавливаются из разных ферромагнетиков с разной коэрцитивностью, например, NiFe и Co. Важно отметить, что коэрцитивность во многом является внешним свойством материалов и, следовательно, определяется условиями технологического процесса.
Приложения
Спин-клапаны используются в магнитных датчиках и головках чтения жестких дисков. Они также применяются в магнитных запоминающих устройствах с произвольным доступом (MRAM).