Hiiglaslik magnettakistus

Hiiglaslik magnettakistus (ingl giant magnetoresistance, lühend GMR) ehk GMR-efekt on kvantmehaaniline magnettakistuse nähtus ja ilmneb õhukesekihilistes struktuurides, mis koosnevad vahelduvatest ferromagnetilistest ja mittemagnetilistest kihtidest.

GMR-efekti puhul sõltub struktuuri elektritakistus tugevasti ferromagnetiliste naaberkihtide magnetilisest orientatsioonist. Summaarne takistus on samasuunaliselt (paralleelselt) orienteeritud magnetkihtide korral väike ja vastassuunaliselt (antiparalleelselt) orienteeritud kihtide korral suur.

GMR-efekti rakendatakse põhiliselt kõvaketaste lugemis-kirjutuspeades.

Avastamine
GMR-efekti avastas 1988. aastal Fe/Cr/Fe-kolmikkihtides Peter Grünbergi juhitud uurimisrühm Jülichi uurimiskeskuses Saksamaal ja sai ka vastava patendi. Sama nähtuse Fe/Cr-mitmikkihtides avastas sõltumatult ka Albert Ferti grupp Paris-Sud Ülikoolis Prantsusmaal. Ferti grupp täheldas esimesena suurt muutust mitmikkihtides ja samuti kirjeldas täpselt seda nähtust füüsikaliselt, aga administratiivsetel põhjustel esitasid nad patenditaotluse sakslastest mõni päev hiljem.

2007. aastal said Albert Fert ja Peter Grünberg Nobeli füüsikaauhinna GMR-efekti avastamise eest.

GMR-efekti avastamist peetakse ka spintroonika sünniks. Grünberg ja Fert on saanud mitu prestiižset auhinda spintroonika avastamise ja panuse eest selle arengusse.

GMR-efekti tüübid

Mitmekihiline GMR 
Mitmekihilise GMR-i (ingl multilayer GMR) puhul on kahe või enama ferromagnetilise kihi vahel väga õhuke (u 1 nm) antiferromagnetiline kiht (näiteks struktuurina Fe/Cr/Fe). Kui magnetkihid on piisavalt õhukesed, on energeetiliselt soodustatud lähimate ferromagnetiliste kihtide antiparalleelne joondumine. Seadme elektritakistus on tavaliselt suurem antiparalleelses konfiguratsioonis ja erinevus võib toatemperatuuril olla kuni 8%.

Esimesed avastused mitmikkihi GMR-efekti kohta tehti 10- ja enamakihilistes materjalides, kusjuures vool oli paralleelne kihtide tasanditega (CIP-konfiguratsioon, Current In Plane). Sama konfiguratsiooni kasutatakse ka kõvaketta GMR-lugemis-kirjutuspeades.

Seejärel võeti uurimise alla tasandiga ristuva voolu geomeetria (CPP – Current Perpendicular-to-the-Plane), mis on põhimõtteliselt sarnane magnetilise tunnelsiirdega (magnetic tunnel junction), kus kahte ferromagneetikut eraldab u 1 nm paksune isoleerkiht.

Spinnventiilid
Uurimine käib selles suunas, et suurendada spinnventiilides magnettakistust, näiteks lisades magnetkihtide vahele poolmetalle, et pikendada elektroni spinni säilimise aega ja sellega suurendada FM-kihtide võimet elektrone polariseerida. Singapuri Riiklikus Ülikoolis S. Bala Kumar ja kolleegid tõestasid, et NiFe/Cu/NiFe-spinnventiilides surutakse magnettakistus nulli lähedale kihtide vahelise suure takistuse tõttu, kuna see soodustab elektronide spinnide ümberorienteerumist.

GMR-efekti suurendamiseks tuleb leida optimaalne takistus ja polarisatsioon kihtide vahelisel piirpinnal. Magnetkihte eraldav kiht on enamasti vasest ja ferromagneetikuna kasutatakse permalloid (80% Ni ja 20% Fe sulam).

GMR ja magnettakistuslik tunneliefekt (TMR)
Magnettakistuslik tunneliefekt on spinnventiili edasiarendus, kus elektronid liiguvad läbi õhukese isoleeriva tunnelbarjääri nii, et nende spinnid on orienteeritud risti kihtidega. See võimaldab suurendada umbes 10-kordselt struktuuri takistust ja viia takistuse temperatuuritegur nullilähedaseks. Nüüdseks on kõvaketastes TMR asendanud GMRi põhiliselt risti salvestamise võimaluse tõttu. TMR on viinud MRAM- (ingl Magnetic Random Access Memory) mälude loomiseni ja ümberprogrammeeritavate magnetiliste loogikaseadmete loomiseni.

Rakendused
GMR on andnud tõuke elektroonika uue valdkonna – spintroonika – tekkele. Spintroonika meetodeid kasutatakse laialdaselt nüüdisaegsete kõvaketaste lugemis-kirjutuspeades ja magnetilistes sensorites. Paralleelsete ja antiparalleelsete kihtide konfiguratsioonidest tulenevat takistuse erinevust saab kasutada 0 ja 1 salvestamiseks. Uuritakse samasuunalise vooluga konfiguratsioone ja TMR-spinnventiile, mis võiksid lubada kõvakettal infotiheduse viia väärtuseni 155 GB/cm2 -ni.
Kõvakettatootjad on uurinud ka magnetilisi sensoreid, mis põhinevad kolossaalsel magnettakistusel (CMR) ja hiiglaslikul planaarsel Halli efektil. Laboris on selliste sensorite tundlikkus mitmeid suurusjärke parem kui GMRi põhistel. Põhimõtteliselt oleks niiviisi võimalik suurendada info salvestamise tihedust mitme suurusjärgu võrra. 
Magnettakistuslik isolaator (ingl magnetocoupler) on seadis, mis kasutab GMRi, et võimaldada signaalivahetust kahe galvaaniliselt isoleeritud elektriahela vahel, kusjuures nii vahelduv- kui alalisvoolu puhul.
Võimalus kasutada GMRi vibratsiooni mõõtmiseks elektromehaaniliste mikrosüsteemide (MEMSide] abil.
DNA või valgu sidestumise detekteerimine, mõõtes jääkvälja, mida põhjustavad pindkihis paiknevad superparamagnetilised osakesed.

Viited

Magnetism