Magnetotakistus

Ajalugu

Esmakordselt märkas magnetotakistuslikku käitumist William Thomson 1857. aastal, kui ta uuris, kuidas mõjub juhi takistusele risti ja paralleelselt vooluga suunatud väline magnetväli. Ta märkas, et raua puhul oli takistus suurem, kui magnetväli oli paralleelne voolu suunaga ning väiksem, kui magnetväli oli voolu suunaga risti. Ta leidis, et see seaduspärasus kehtib ka nikli korral, kuid suuremal määral. Sellist tüüpi magnetotakistust nimetatakse praegu anisotroopseks magnetotakistuseks (AMR, ing. k. anisotropic magnetoresistance).
Hiiglasliku magnetotakistuse (GMR) avastamise eest said 2007. aastal Nobeli auhinna prantsuse füüsik Albert Fert ja saksa füüsik Peter Grünberg, mis võimaldas väiksemate kõvaketaste valmistamist.

Tavalistes metallides

Tavalistes metallides liiguvad välise magnetvälja puudumisel elektronid võre osade vahel sirgjooneliselt põrkudes. Selliselt käituvad vabad elektronid gaasides ka välise välja puhul. Rakendatud väli mõjub elektronidele Lorenzi jõuga, kuid seda tasakaalustab elektronide endi poolt tekitatud elektriväli, mis hoiab elektronide liikumise sirgjoonelisena – seda nimetatakase Halli efektiks. Reaalses metallis, aga on elektronidel erinevad keskmised kiirused ja kuigi tasakaal magnetvälja ja elektrivälja vahel on olemas, siis liiguvad elektronid mööda kõveraid trajektore. Kuna Lorenzi jõud sunnib elektrone liikuma spiraalselt, siis pikeneb märgatavalt nende lennutee pikkus, mis tingib rohkem põrkeid nii võre, kui ka teiste elektronidega mistõttu ongi välise välja rakendamisel takistus materjalis suurem. Selline efekt, kus välise välja puhul on takistus suurem, esineb eelkõige metallidel ja seda nimetatakse positiivseks magnetotakistuseks, kuid kuna tegu on väga väikse efektiga, siis ei ole sellel palju tehnoloogilisi väljundeid.

Anisotroopne magnetotakistus (AMR – ing. k. anisotropic magnetoresistance)

Ferromagnetilistes metallides ja -sulamites on magnetotakistuslikud efektid suuremad – u 2%. Magnetitakistust nimetatakse anisotroopseks, kui takistuse muutus vooluga paralleelse välja puhul on erinev takistusest risti oleva voolu ja välja korral. Kui väli on paralleelne voolu suunaga, siis on takistus Rₚₐᵣₐₗₗₑₑₗₙₑ suurem takistusest, mis oleks välja puudumise korral. Kui välja ja voolu suunad on risti, siis on Rᵣᵢₛₜᵢ väiksem takistusest, mis oleks ilma välise väljata. Risti ja paralleelselt oleva välja korral on takistuse muutus mõlemas suunas ligikaudu sama suur ning see efekt on märgatav isegi väikeste väljade korral ja küllastub 5–10 örstedi juures. 
AMR on põhjustatud spinnorbitaalsest vastasmõjust ja see seletati esimest korda ära jaapanlasest teoreetilise füüsiku Jun Kondo poolt 1960-ndate alguses. Metallide s-elektronid, mis vastutavad juhtivuse eest, hajuvad 3D-elektronide orbitaalnurkmomendi rahuldamata (vabade orbitaalkvantarvude korral) osal ning seda kinnitavad magnetotakistuse mõõtmised, mis korrelleeruvad kõrvalekaldega güromagnetilisest suhtest spinnväärtusega 2. Kui magneetumussuund pöördub vastavalt välisele väljale, siis 3D-elektronpilv deformeerub ja muudab juhtivuselektronide hajuvuse määra. Tuleb välja, et kui magneetumussuund on risti elektrivoolu suunaga on hajumine väiksem, kui ilma väljata ning paralleelse magneetumussuuna korral on hajumine suurem, kui ilma väljata.

Kolossaalne magnetotakistus (CMR – ing. k. colossal magnetoresistance)

CMR avastati 1994 Jini ja kaastöötajate poolt perovskiidi struktuuriga manganiidis La0.67Ca0.33MnO₃. Nimi kolossaalne magnetotakistus viitabki magnetvälja tekitatud suurele muutusele elektrilises takistuses, mis võimaldab muuta elektrit juhtiva materjali peaaegu isolaatoriks. Arvatakse, et see on tingitud mangaani katioonide ja nende vahel oleva hapniku aniooni poolt toimuva ülivahetus-interaktsiooni tagajärjel, kus mangaani tühjad või ühe elektroniga täidetud orbitaalile antakse üks elektron hapniku poolt juurde – tühjale orbitaalile üks ja Hundi reeglit järgides tuleb pooleldi täidetud orbitaalile vastaspidise spinniga elektron. Selline interaktsioon muudab ferrimagnetilise materjali antiferrimagnetiliseks ning seetõttu suureneb ka materjali takistus. Kuigi originaalkatsed viidi läbi madalatel temperatuuridel, siis on samalaadseid efekte nähtud ka toatemperatuuri lähedal. CMR-i esilekutsumiseks on aga vajalikud suured, mõnede tesladeni ulatuvad magnetväljad, mistõttu sensoorikas ega salvestuspeades sellega eriti ei arvestata.

Magnetotakistus tulenevalt spontaansest magneetumisest

Tavalistes mittemagnetilistes materjalides kahaneb materjali takistus sujuvalt koos temperatuuriga, mis on tingitud võreaatomite soojusvõnkumiste intensiivsuse vähenemisest ja võre korrastatuse suurenemisest, mille tagajärjel väheneb elektronide hajumine. Ferromagnetilistes metallides toimub allpool Curie temperatuuri takistuse lisakahanemine võrreldes sellega, mida jälgitakse tavametallides. See efekt on tingitud magnetmomentide suurenevast suunatud korrastatusest mis samuti vähendab elektronide hajumist.

Magnetotakistuse mõõtmine

Üks viis magnetotakistuse mõõtmiseks on seda teha magnetvälja asetatud kilelt nelipunktsondi abil, mille üks kõige suurem eelis on mittedestruktiivsus. Mikrosondi süsteem asetatakse ritta seatuna vastu materjali siledat pinda ning fikseeritakse sondide vahelised kaugused (S₁,S₂,S₃). Konstantse voolu allikas on ühendatud kahe välimise elektroodiga ja muutuvat konstantset pinget mõõdetakse kahe sisemise sondiga. Asetades sellise konfiguratsiooniga sondide süsteemi poollõpmatu ruumalaga materjali peale, siis avaldub materjali eritakistus järgnevalt:
,
kus I on konstantse vooluallika poolt tekitatud vool, U on sisemise kontaktpaariga mõõdetav potentsiaal ja S₁,S₂,S₃ on sondide vahelised kaugused. Kui sondide vahekaugused on võrdsed, siis taandub valem järgmisele kujule:
.
Kui ilma välise magnetväljata ja rakendatud välise magnetväljaga on materjali takistused mõõdetud, leitakse materjali MR suhe.

Kasutusalad

Magnetotaktistuslikke efekte kasutatakse lugemispeades, kus soovitakse GMR-i abil biti suurust vähendada.