2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

1

ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN

(GMR – Nobel díj 2007)

Kádár GyörgyMTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi

Kutatóintézet

2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

2

Tartalmi vázlat

A mágneses anyagtudomány néhány alapfogalma

A Nobel-díj és a Gigantikus Mágneses Ellenállás-változás (GMR)

Spintronika

Spinszelep szerkezetű mágneses szenzor

Mágneses Véletlen Hozzáférésű Memória (MRAM)

Mágneses térvezérlésű tranzisztor

2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

3

A mágnesség (magnetosztatika) jellemző fizikai mennyiségei:

Mágneses gerjesztő tér: H (A/m)elektromos áram hozza létre

egyenes drót körül H=I/(2πR)n menetű, l hosszúságú tekercsben H=nI/l

Mágneses indukció: B (Tesla)vákuumban B=μ0H, anyagi közegben B= μ0H+M

Mágnesezettség: M (Tesla)A mágneses anyagtudomány alapvető mennyisége

2023. ápr. 19. 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

2023. ápr. 19. 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

2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

6

A mágneses anyagok típusaiTípus Szuszcept. Atomi / Mágneses jelleg

Példa / Szuszcept.

Diamágnesség Kicsi & negatív Nincs mágneses momentum

Au Cu

-2.74x10-6

-0.77x10-6

Paramágnesség Kicsi & pozitív Mágneses momentumok véletlen irányban

β-Sn Pt Mn

0.19x10-6 21.04x10-6 66.10x10-6

Ferromágnesség

Nagy, pozitív, a külső tértől és a mikro-szerkezettől függ

Mágneses momentumok parallel

Fe ~100,000

Antiferromágnesség Kicsi & pozitív

Mágneses momentumok parallel és antiparallel

Cr 3.6x10-6

Ferrimagnetism

Nagy, pozitív, a külső tértől és a mikro-szerkezettől függ

Mágneses momentumok parallel és antiparallel, kül. súllyal

Ba ferrite

~3

2023. ápr. 19. 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

2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

8

A rendezett mágneses szerkezetű anyagok (ferro-, antiferro-, ferrimágnesek) bizonyos hőmérséklet (Curie-pont) fölött elvesztik rendezettségüket, paramágnesesek

lesznek

A 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.

2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

9

H2 molekulában (Werner Heisenberg és Teller Ede)a két elektron Coulomb taszítási energiájához az

elektronok spinjeinek kölcsönös helyzetétől függő kicserélődési energia korrekciót kell hozzávenni.

Alakja: E=-J12S1S2

J12 kicserélődési integrál függ az anyag atomi szerkezetétől, az atomok

távolságától is, FM: J12>0 AFM: J12<0

nagyságrendje alkalmas az atomi mágneses momentumok rendezett sorbaállításához

(kb. 10 000-szerese a dipól-dipól energiának)

2023. ápr. 19. 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

2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

11

A mágnesezettség irányfüggését, anizotrópiáját okozhatja a mágneses anyag alakja is:

a korong síkjában minden irány könnyű irány

Hosszú tű könnyű iránya a tű hossz-tengelye

Lapos korong nehéz iránya a merőleges forgástengelye vagyis

2023. ápr. 19. 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.

2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

13

Hiszterézis az M(H) függvényben

Barkhausen ugrások

2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

14

Permanens mágnesek:

a {H·B} energiaszorzat növekedése

Mágnestérfogatok azonos mágneses energiához

R. Skomski and J. Coey: PRB 48, 15812 (1993)

Transzformátor vasmagokA „vasveszteség” – a hiszterézishurok területe minél kisebb legyen

2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

15

Memóriaanyagokban négyszög alakú határozott koercitív erejű de nem túl

nagy remanenciájú hiszterézis

Audio-video szalagokban nagy remanenciájú, megdőlt fel- és lefutású hiszterézis

2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

16

A 2007-es Fizikai Nobel-díj

2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

17

Hogyan is működik a Winchester?

2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

18

Óriás Mágneses EllenállásváltozásGiant Magneto-Resistance – GMR

Alapjelenség: 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 el

Nanotechnológia! A rétegvastagság nanométer méret!Az elektronok szabad úthosszával összemérhető.

2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

19

2 2 2

2

R R R RR

R RR R

2

22

R R R RR

R R

2 24

02 2 2

R R R RR RR R

R R R R R R

2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

20

A. Fert et al. PRL 61 2472 (1988)

2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

21

P. Grünberg et al. PRB 39 4828 (1989)

2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

22

a) Julliere, 1975, Phys.Lett. b) Maekawa és Gafert, 1982, MAG-18c) Miyazaki és Tezuka, 1995, JMMM d) Moodere et al., 1995, PRL (! 295K !)

2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

23

Mágneses alagút átmenet félvezető rétegekből: (a) Ga1-xMnxAs (x=4.0%,50 nm) /AlAs (3 nm)/Ga1-x Mnx As (x=3.3%, 50 nm) réteg-szerkezet normált mágnesezettsége 8K hőmérsékleten, 333 mm hosszú mintában(b) Ga1-xMnxAs (x=4.0%,50 nm) /AlAs (1.6 nm)/ Ga1-x Mnx As (x=3.3%, 50 nm) réteg szerkezet alagút átmeneti mágneses ellenállás-változása (TMR) 200 mm átmérőjű mintában.

2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

24

a) 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 csatolássalc) A fix réteghez egy másik ellentétes irányú fix réteg csatlakozik, a szabad réteg hiszterézisének középpontja közelebb kerül az origóhozd) A szabad réteghez is csatolva van egy ellentétes irányú szabad réteg, a hiszterézis az origó körül szimmetrikus

2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

25

Spinszelep és transzverzális áram

2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

26

A technológia időbeli fejlődése:

2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

27

Az IBM cég longitudinális MR és GMR szenzor szerkezetei

2023. ápr. 19. 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)

2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

29

2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

30

2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

31

2010

2005

2000

1995

1990

1985

A jelenség felfedezése Ipari alkalmazás

AMR jelenség(1~2%)

GMR jelenség (5~15%)

TMR jelenség(20~70%)

Spin transzfer

Giant TMR jelenség (200~??%)

HDD fej

MR fej

GMR fej

TMR fej

MgO TMR fej

MRAM

Spin-transzferMRAM Spin

tranzisztor,Logika, stb.

MRAM

Új eszközök

Spintronika ma és holnap