トンネル磁気抵抗効果
P 1 = D 1 ↑ − D 1 ↓ D 1 ↑ + D 1 ↓ , P 2 = D 2 ↑ − D 2 ↓ D 2 ↑ + D 2 ↓ {\displaystyle P_{1}={\frac {D_{1}^{\uparrow }-D_{1}^{\downarrow }}{D_{1}^{\uparrow }+D_{1}^{\downarrow }}},P_{2}={\frac {D_{2}^{\uparrow }-D_{2}^{\downarrow }}{D_{2}^{\uparrow }+D_{2}^{\downarrow }}}}
強磁性体中の伝導電子はスピン偏極しているが、それぞれの磁化の方向を変えることで、トンネル電流を変化させられる。
TMR素子は磁場のダイナミックレンジがmTオーダーで、生体からの磁場の強度(pTオーダー)と比較して桁違いに大きいのが超伝導量子干渉素子(SQUID)と比較して最大の利点となり、生体信号のような低周波の信号に対して適当な帯域フィルタ等を装着すれば、環境磁気ノイズを電気的に取り去ることができるため、大がかりな磁気シールドルームが不要になり、センサをウェアラブル化することで運動時の生体磁場の高分解能測定、長時間の測定など、特徴を生かした計測方法が考えられ、不整脈の原因部位の診断精度の向上、長時間計測による不整脈波の検出率の向上、運動負荷時の心臓異常磁場の計測や空間解像度の向上による心筋内の電位分布の描出、狭心症・心筋梗塞の早期発見のようにこれまでの心電計、心磁計では不可能であった様々なことが可能となる。
MTJ素子は強磁性層の間に膜厚1 nm程度の絶縁体層を挟み込む構造をしている。この接合面に対して垂直に電圧を印加するとトンネル効果に因って絶縁体層に電流が流れる。
ここでは、強磁性体1と強磁性体2が非常に薄い絶縁膜を挟んでおり、トンネル電流が流れるという状況を考える。
強磁性体では内部磁場によってアップスピン、ダウンスピン電子はそれぞれ異なるポテンシャルを感じてスピン分裂を起こしており、フェルミ準位近傍を占有するアップスピン電子とダウンスピン電子の状態密度が異なっている。
トンネルコンダクタンスは、フェルミ準位での状態密度の積のみに比例し、アップスピンとダウンスピン電子がそれぞれ独立にコンダクタンスに寄与するという一番簡単な仮定をおく。すなわち、全体としてのコンダクタンス Γ {\displaystyle \Gamma } は
Γ = ∑ s 1 , s 2 α D 1 s 1 D 2 s 2 {\displaystyle \Gamma =\sum _{s_{1},s_{2}}\alpha D_{1}^{s_{1}}D_{2}^{s_{2}}}
と表すことができるとする。ただし、 α {\displaystyle \alpha } は定数、 s 1 , s 2 {\displaystyle s_{1},s_{2}} はスピンの向き(↑または↓)、 D 1 , D 2 {\displaystyle D_{1},D_{2}} は強磁性体1, 2 のフェルミ準位における状態密度と定義する。
1975年 Fe・Ge・Coの接合膜において、TMR効果が初めて報告される。この接合膜のTMR比は14%である。
1988年 Fe・Cr人工格子において、巨大磁気抵抗効果(GMR効果)が発見され、磁性体素子の研究が盛んになる。
1995年 Fe・Al2O3・Feの接合膜で、室温で約20%という、従来より比較的大きなTMR比を持つ事が2つの研究グループでそれぞれ独立に発見される。
2004年 MgO単結晶を絶縁体層に用いて、室温で従来考えられていた理論限界を超える88%のTMR比が実現される。その後、障壁層の膜質向上等に拠って、室温で230%のTMR比が実現される。
2007年 (CoxFe100-x)80B20・MgO・(CoxFe100-x)80B20を用いて、500%のTMR比が実現される。
2015年 東北大学およびコニカミノルタはトンネル磁気抵抗素子による心臓磁場検出に世界で初めて成功した。
↑ 大野英男. “強磁性金属を用いたナノスピンメモリ”. 東北大学. 2014年10月1日閲覧。
↑ “室温で動作する高感度・高分解能の小型心磁計を開発”. 科学技術振興機構 (2015年7月23日). 2016年12月13日閲覧。
↑ “Giant magnetic tunneling effect in Fe/AlzO3/Fe junction” (PDF). Journal of Magnetism and Magnetic Materials (Elsevier) (139): 231-234. (1995). http://www.elsevierscitech.com/pdfs/miyazaki.pdf.
↑ “Large Magnetoresistance at Room Temperature in Ferromagnetic Thin Film Tunnel Junctions” (PDF). Phisical Review Letters (American Physical Society) 74: 3273-3276. (1995-04-17). doi:10.