Magnettakistus

Magnettakistus (inglise keeles magnetoresistance) on materjali omadus muuta oma elektritakistust välise magnetvälja mõjul. Vastavat füüsikalist nähtust nimetatakse magnettakistuslikuks efektiks, ka magnetoresistiivseks efektiks. Magnettakistust kirjeldatakse magnettakistusliku suhtega MR: M R = R H − R 0 R 0 = Δ R R , {\displaystyle MR={\frac {R_{H}-R_{0}}{R_{0}}}={\frac {\Delta R}{R}},} kus R H {\displaystyle R_{H}} on takistus objektile rakendatud välisemagnetvälja korral ja R 0 {\displaystyle R_{0}} on takistus ilma objektile välist magnetvälja rakendamata. See suhe (väljendatakse harilikult protsentides) näitab, millisel määral on materjal võimeline oma takistust välise magnetvälja mõjul muutma. Magnettakistuse liikide eristamisel on aluseks võetud just MR suhe. Magnettakistuse nähtuste hulka kuuluvad eelkõige anisotroopne magnettakistus (MR u 3 %), hiiglaslik magnettakistus (MR 6–100 %), tunnelmagnettakistus (MR kuni 600), kolossaalne magnettakistus (MR veelgi suurem) ja tasapinnaline Halli efekt.   Esimesena märkas magnettakistuslikku 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 voolu suunaga paralleelne, ning väiksem, kui magnetväli oli voolu suunaga risti. Seda tüüpi magnettakistust nimetatakse praegu anisotroopseks magnettakistuseks (AMR).. Hiiglasliku magnettakistuse (GMR) avastamise eest said 2007. aastal Nobeli auhinna prantsuse füüsik Albert Fert ja saksa füüsik Peter Grünberg. Nende avastus võimaldas hakata valmistada väiksemaid kõvakettaid. Ferromagnetilistes metallides ja -sulamites on magnettakistuslik efekt suurem kui mittemagnetilistes metallides, kuid piirdud siiski vaid paari protsendiga. Magnettakistust nimetatakse anisotroopseks, kui takistuse muutus voolukandjate liikumise suunaga 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. AMR on põhjustatud spinnorbitaalsest vastastikmõjust. Selle seletas esimesena ära jaapanlasest teoreetiline füüsik Jun Kondo 1960. aastate alguses. Metallide s-elektronid, mis vastutavad juhtivuse eest, hajuvad 3D-elektronide orbitaalnurkmomendi rahuldamata osal ning seda kinnitavad magnettakistuse mõõtmised, mis korreleeruvad 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. Anisotroopset magnettakistuslikku efekti kasutati magnetvälja andurites enne hiiglasliku magnettakistuse nähtuse avastamist  Pikemalt artiklis Hiiglaslik magnettakistus Hiiglaslik magnettakistus (ingl giant magnetoresistance, lühend GMR) avaldub mitmekihilistes struktuurides (supervõredes), mis koosnevad vahelduvatest ferromagnetilistest ja mittemagnetilistest kihtidest. Mittemagnetilise kihi paksuse valikuga on võimalik saavutada olek, kus magneetumissuunad külgnevates magnetkihtides on antiparalleelsed (antiferromagnetiline struktuur). Rakendades välist magnetvälja, saab magneetimist suunata paralleelselt kõikides kihtides. Takistus on samasuunaliselt orienteeritud magnetkihtide korral väike ja vastassuunaliselt (antiparalleelselt) orienteeritud kihtide korral suur. Kolossaalne magnettakistus (ingl colossal magnetoresistance, lühend CMR) avastati 1994. aastal perovskiidi struktuuriga manganiidis La0.67Ca0.33MnO3. Nimetus "kolossaalne magnettakistus" viitabki magnetvälja tekitatud suurele muutusele elektrilises takistuses, mis võimaldab muuta elektrit juhtiva materjali peaaegu isolaatoriks. Arvatakse, et see on seletatav mangaani katioonide ja nende vahel oleva hapniku aniooni poolt toimuva ülivahetus-interaktsiooniga, 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 vastupidise spinniga elektron. Selline vastastikmõju muudab ferrimagnetilise materjali antiferrimagnetiliseks ning seetõttu suureneb ka materjali takistus. Kuigi originaalkatsed viidi läbi madalatel temperatuuridel, siis on samalaadseid efekte täheldatud ka toatemperatuuri lähedal. CMRi esilekutsumiseks on aga vajalik tugev, mitme teslani ulatuv magnetväli, mistõttu sensorites ega salvestuspeades sellega eriti ei arvestata. Tunnelmagnettakistus (ingl tunnel magnetoresistance, lühend TMR) on kvantmehaanilineefekt, mis avaldub tunneliefektil põhineva elektrivooluna kahe ferromagnetilise kihi vahel, mis on eraldatud üliõhukese (u 1 nm) dielektrikukihiga. Sellisel juhul sõltub üldine takistus magnetväljade suhtelisest orientatsioonist ferromagnetkihtides. Takistus on kõige suurem kihtide antiparalleelsel magneetimisel. Tunnelmagnettakistuse nähtus sarnaneb hiiglasliku magnettakistuse nähtusega, kuid siin kasutatakse mittemagnetilise metalli kihi asemel tunnelleerivat dielektrikukihti. 1975. aastal avastatud tunnelmagnettakistuse efektil põhinevad andurid on hakanud asendama hiiglaslikku magnettakistust kasutavaid vastavaid seadmeid. Tasapinnaline ehk planaarne Halli efekt sarnaneb toimelt tavalise Halli efektiga, kuid seda ei põhjusta mitte juhtiva pinnaga risti olev magnetvälja komponent, vaid magnetvälja komponentide toime juhi tasapinnas. See efekt esineb ferromagnetilistes materjalides ja põhineb AMR-efektil (anisotroopsel magnettakistusel): takistus rakendatava magnetvälja suunaga ristsihis erineb selle väljaga paralleelsest takistusest. See efekt leiab teataval määral rakendust biotehnoloogias. Tavalistes mittemagnetilistes materjalides kahaneb materjali takistus sujuvalt koos temperatuuriga, mis on tingitud kristallivõre aatomite soojusvõnkumise intensiivsuse vähenemisest ja võre korrastatuse suurenemisest, mille tagajärjel väheneb elektronide hajumine. Ferromagnetilistes metallides toimub allpool Curie temperatuuri takistuse lisavähenemine võrreldes sellega, mida jälgitakse tavametallides. See efekt on tingitud magnetmomentide suurenevast suunatud korrastatusest, mis samuti vähendab elektronide hajumist. Üks viis magnettakistuse mõõtmiseks on seda teha magnetvälja asetatud kilelt nelipunktsondi abil, mille üks kõige suurem eelis on mittedestruktiivsus. Mikrosondide süsteem asetatakse ritta seatuna vastu materjali siledat pinda ning fikseeritakse sondidevahelised kaugused (S1, S2, S3). Püsivooluallikas 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: R = U I ∗ 2 π 1 S 1 + 1 S 3 + 1 S 1 + 1 S 2 + 1 S 2 + S 3 {\displaystyle R={\frac {U}{I*{\frac {2\pi }{{\frac {1}{S_{1}}}+{\frac {1}{S_{3}}}+{\frac {1}{S_{1}+{\frac {1}{S_{2}}}}}+{\frac {1}{S_{2}+S_{3}}}}}}}} , kus I on püsivooluallika 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: R = U I ⋅ 2 π ⋅ S {\displaystyle R={\frac {U}{I}}\cdot 2\pi \cdot S} . Kui materjali takistused ilma välise magnetväljata ja rakendatud välise magnetväljaga on mõõdetud, leitakse materjali MR suhe. Spaldin, N. A. Magnetic materials. Fundamentals and Applications. (Cambridge University Press, 2011) Thomson, W. On the Electro-Dynamic Qualities of Metals:Effects of Magnetization on the Electric Conductivity of Nickel and of Iron. Proc. R. Soc. London 8, 546–550 (1856) The Nobel Prize in Physics 2007 - NobelPrize.org. (2007). Available at: https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2007/summary/. (Vaadatud: 10. jaanuar 2019) Nalwa, H. S. Handbook of thin film materials. (Academic Press, 2002) Horisont ; 6/2007 2007-11