ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)

1. ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007) Kádár GyörgyMTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézet 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

2. Tartalmi vázlatA mágneses anyagtudomány néhány alapfogalma A Nobel-díj és a Gigantikus Mágneses Ellenállás-változás (GMR)SpintronikaSpinszelep szerkezetű mágneses szenzorMágneses Véletlen Hozzáférésű Memória (MRAM)Mágneses térvezérlésű tranzisztor 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

3. A mágnesség (magnetosztatika) jellemző fizikai mennyiségei:Mágneses gerjesztő tér: H(A/m)elektromos áram hozza létreegyenes drót körül H=I/(2πR)n menetű, l hosszúságú tekercsben H=nI/lMágneses indukció: B (Tesla)vákuumban B=μ0H, anyagi közegben B= μ0H+MMágnesezettség: M(Tesla)A mágneses anyagtudomány alapvető mennyisége 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

4. A klasszikus fizika fogalmaival statikus mágnesezettség (mágneses momentumsürüség)nem létezhet.A mágneses tér köráramot, a köráram mágneses momentumot hozhat létre, de a körpályán gyorsuló töltés sugároz, energiát veszít, táplálás nélkül időben nem állandó, nem statikus. Dinamikus lehet…A kvantumelmélet atommodelljeiben viszont az elektronhéj zárt térfogatban marad, mozog, perdülete, impulzusmomentuma van mégsem sugároz.Ilyen töltésmozgással már keletkezhet statikus mágnesezettség 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

5. Az atomok „alkatrészeinek”: minden elektronnak van saját perdülete (SPIN), ezért elemi mágneses momentuma, akkor az atomoknak is lehet Az elektronszerkezettől függ, hogy egy atom (ion) mágneses momentuma nulla – diamágneses atom vagy nem nulla – paramágneses atom 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

6. A mágneses anyagok típusai 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

7. Ferromágnesek,külső gerjesztő tér nélkül is van mérhető mágneses momentum, (spontán) mágnesezettség (-vektor). Északi és Déli pólusaik olyan mágneses teret hoznak létre, mint amilyen a pozitív és negatív elektromos töltések - DIPÓLUS - elektromos tere 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

8. A rendezett mágneses szerkezetű anyagok (ferro-, antiferro-, ferrimágnesek) bizonyos hőmérséklet (Curie-pont) fölött elvesztik rendezettségüket, paramágnesesek lesznekA rendezetlenítő hőhatás energiáját (kT) összehasonlíthatjuk az egymás melletti atomi dipólusok kölcsönhatási energiájával (jól ismert és kipróbált formulával kiszámítható)A dipól-dipól kölcsönhatás kb. 10 000-szer kisebb Curie-pontot adna. Nem elég a rendeződéshez. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

9. H2 molekulában (Werner Heisenberg és Teller Ede)a két elektron Coulomb taszítási energiájáhozaz elektronok spinjeinek kölcsönös helyzetétől függőkicserélődésienergia korrekciót kell hozzávenni.Alakja: E=-J12S1S2J12 kicserélődési integrál függ az anyag atomi szerkezetétől, az atomok távolságától is, FM: J12>0AFM: J12<0nagyságrendje alkalmas az atomi mágneses momentumok rendezett sorbaállításához(kb. 10 000-szerese a dipól-dipól energiának) 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

10. Tehát az atomi momentumok párhuzamosítását (vagy antiparallal beállását az antiferromágneses anyagokban) a kicserélődési kölcsönhatás elintézi, de tapasztalat, hogy pl. kristályos ferromágneses anyagokban a momentumok bizonyos kristálytani irányok mentén szívesebben párhuzamosodnak: vannak ún. könnyű és nehéz irányok, a kristályos mágneses anyag anizotróp 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

11. A mágnesezettség irányfüggését, anizotrópiáját okozhatja a mágneses anyag alakja is: Lapos korong nehéz iránya a merőleges forgástengelye vagyis Hosszú tű könnyű iránya a tű hossz-tengelye a korong síkjában minden irány könnyű irány 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

12. A kicserélődés és az anizotrópia miatt tehát az anyag mágnesezettsége mindenütt azonos irányú lenne.Így az anyagból kiszóródott mágneses tér energiája igen nagy lenne, ezért az anyagban különböző mágnesezettség-irányú tartományok, domének alakulnak ki, hogy a kiszóródott terek „rövidre” záródhassanak. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

13. Hiszterézis az M(H) függvényben Barkhausen ugrások 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

14. Permanensmágnesek: a {H·B} energiaszorzat növekedése Transzformátor vasmagok A „vasveszteség” – a hiszterézishurok területe minél kisebb legyen Mágnestérfogatok azonos mágneses energiához R. Skomski and J. Coey: PRB 48, 15812 (1993) 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

15. Memóriaanyagokban négyszög alakú határozott koercitív erejű de nem túl nagy remanenciájú hiszterézisAudio-video szalagokban nagy remanenciájú, megdőlt fel- és lefutású hiszterézis 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

16. A 2007-es Fizikai Nobel-díj 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

17. Hogyan is működik a Winchester? 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

18. Óriás Mágneses EllenállásváltozásGiant Magneto-Resistance – GMRAlapjelenség: ha az elektromos áramot szállító elektronok mágneses momentuma azonos irányú az áramot vezető mágneses fém mágnesezettségével, akkor az ellenállás kisebb, mintha ellentétes irányú lenne.Mi történik, ha két mágneses rétegen kell az áramnak áthaladni, amelyeket nem-mágneses fémréteg választ elNanotechnológia! A rétegvastagság nanométer méret!Az elektronok szabad úthosszával összemérhető. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

20. A. Fert et al. PRL 61 2472 (1988) 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

21. P. Grünberg et al. PRB 39 4828 (1989) 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

22. Julliere, 1975, Phys.Lett. b) Maekawa és Gafert, 1982, MAG-18 • c) Miyazaki és Tezuka, 1995, JMMM d) Moodere et al., 1995, PRL (! 295K !) 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

23. Mágneses alagút átmenet félvezető rétegekből: • Ga1-xMnxAs (x=4.0%,50 nm)/AlAs (3 nm)/Ga1-xMnxAs (x=3.3%, 50 nm) réteg-szerkezet normált mágnesezettsége 8K hőmérsékleten, 333 mm hosszú mintában • Ga1-xMnxAs (x=4.0%,50 nm)/AlAs (1.6 nm)/ Ga1-xMnxAs (x=3.3%, 50 nm) rétegszerkezet alagút átmeneti mágneses ellenállás-változása (TMR) 200 mm átmérőjű mintában. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

24. A legegyszerűbb rétegszerkezet, tér nélkül antiparallel mágnesezettségek, nagy ellenállás, • a párhuzamosításhoz viszonylag nagy tér szükséges, hiszterézissel (mint Grünberg) • b) Egyik réteg rögzített egy antiferromágneses réteghez kicserélődési csatolással • c) A fix réteghez egy másik ellentétes irányú fix réteg csatlakozik, a szabad réteg • hiszterézisének középpontja közelebb kerül az origóhoz • d) A szabad réteghez is csatolva van egy ellentétes irányú szabad réteg, • a hiszterézis az origó körül szimmetrikus 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

25. Spinszelep és transzverzális áram 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

26. A technológia időbeli fejlődése: 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

27. Az IBM cég longitudinális MR és GMR szenzor szerkezetei 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

28. SPINTRONIKA!!! „Improved pinning effect in PtMn/NiFe system…” Appl. Phys. Letters, 85 (2004) 5281 8. E. Krén, G. Kádár, L. Pál, J. Sólyom, P. Szabó, T. Tarnóczi Magnetic structures and exchange interactions in the Mn-Pt systemPhysical Review, 171, 574, (1969). 8.1. B. Antonini, Phys. Letters, 30A 310 (1969)8.2. B. Antonini, Phys. Rev., 187 611 (1969) ……8.84. Dai B., Appl. Phys. Letters, 85 (22) 5281-5283 (2004) 8.85. Rickart M., J. Appl. Physics, 97 (10) no. 10K110 (2005)8.86. Eriksson T., J. Alloys and Compounds, 403 19 (2005)8.87. Umetsu RY, J. Phys. Soc. Jpn, 75 104714 (2006) …… 8.95. Franco N, Mater. Sci. Forum, 514-516: 314 (2006) 8.96. Umetsu RY, Mater. Transactions, 47 2 (2006)8.97. Mougin A, Phys. Rev. B, 73 024401 (2006) 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

29. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

30. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

31. Spintronika ma és holnap A jelenség felfedezése Ipari alkalmazás AMR jelenség (1~2%)‏ HDD fej 1985 GMR jelenség (5~15%)‏ MR fej 1990 TMR jelenség (20~70%)‏ 1995 GMR fej Spin transzfer 2000 MRAM TMR fej Giant TMR jelenség (200~??%)‏ 2005 MRAM Új eszközök 2010 MgO TMR fej Spin-transzfer MRAM Spin tranzisztor, Logika, stb. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba