Weiszenbacher Arnold, M1 FCSUniversitatea Babes-Bolyai

Magnetorezistenta si aplicatiile acesteia

William Thomson, cunoscut mai apoi ca si Lord Kelvin, a fost primul care a descoperit in 1857 ca aplicarea unui camp magnetic extern unui cablu de nickel (Ni) ii mareste rezistenta electrica. Acest fenomen poarta astazi denumirea de magnetorezistenta. In anii ce au urmat fizicienii au studiat tot mai multe metale si s-a dovedit ca fenomenul se petrece in orice metal. Pentru cele care nu sunt magnetice, efectul de magnetorezistenta este cu atat mai pronuntat cu cat este mai slab conductor metalul. Cel mai prolific din acest punct de vedere este Bismutul care in camp magnetic extern manifesta o crestere a rezistentei cu pana la 50%. In schimb, in Cupru sau in Aur, rezistenta se schimba doar cu 1%, chiar si in campuri magnetice puternice. Fenomenul poate fi descris cu usurinta pentru metale ce nu sunt magnetice si pentru semiconductori. In cazul feromagnetilor, campul electric B este o functie non-lineara a unui camp aplicat T si prezinta histereza. Aceasta functie poate fi insa determinata din experimente. S-a asteptat astfel ca daca valorile experimentale B ar fi folosite, aceasi teorie ar functiona in cazul feromagnetilor. Insa acest fapt este contrar. Atat efectul Hall cat si magnetorezistenta in feromagneti s-au gasit a se comporta intr-o maniera imprevizibila. Noi termeni au fost introdusi pentru asta: Anomalous Hall Effect (AHE) Efectul Hall Anormal si Anomalous MagnetoResistance (AMR) Magnetorezistenta Anormala. S-a dovedid ca AHE si AMR in materialele feromagnetice poate fi explicata doar din prisma teoriei cuantice. Prima teorie cu succes a AHE si AMR a fost formulata de Sir Nevil Mott. Acesta s-a intrebat de ce anumite metale de tranzitie precum Ni, Pd si Pt sunt conductori mult mai slabi decat cei din imediata lor vecinatate in tabelul periodic: Cu, Ag si Au. Raspunsul este fiindca in materialele de tranzitie curentul este condus de catre electroni din benzile d si din benzile S (sau benzile hibridizate S+P). Electronii din benzile d sunt mult mai compactati si mai putin mobili. Dar electronii din benzile S pot sa fie imprastiati de defecte (mereu prezente) sau de catre fononi si pot sa ajunga in benzile d, pierzandu-si mobilitatea si crescand rezistenta. In cazul cuprului in schimb, banda 3d este complet umpluta, astfel incat imprastierea nu poate sa aiba loc, astfel ca cupru este un conductor excelent. In cazul nichelului, vecinul cuprului situatia este diferita. Banda d nu este complet umpluta, astfel ca imprastierea s->d poate sa aiba loc, facand din Nichel un slab conductor. Un alt aspect important ce trebuie luat in vizor este ca in starea feromagnetica, situatia nu mai este simetrica. Sub-banda 3d nu este complet umpluta decat pentru o singura stare de spin. Acest fapt insa are consecinte de anvergura. Din modelul lui Mott avem doi curenti: pentru curenti de spin-up, rezistenta este joasa (fara imprastiere); pentru curenti de spin-down, rezistenta este ridicata pentru ca astfel de electroni pot sa fie imprastiati in subbenzile 3d. Din teoria lui Mott, un conductor FM poate fi privit ca si doua seturi paralele de rezistori. Aplicand un camp magnetic extern, se pot reorienta domeniile si astfel se poate schimba rezistenta specimenului, in concordanta cu observatiile originale ale Lordului Kelvin. In specimenele bulk, efectul nu este in mod particular puternic, facand astfel aplicatiile practice dificile. Conceptul de magnetorezistenta gigant a fost introdus in 1967 de catre Dr. S. von Molnar, care a raportat efecte de magnetorezistenta neobisnuit de puternice vazute in cristale de EuSe dopate cu gadoliniu. Ceea ce noi numim insa acum magnetorezistenta gigant nu este exact acelasi efect ca si cel observat in specimene bulk de Dr. Von Molnar. Termenul curent de magnetorezistenta gigant se refera astazi la un efect ce se produce in structuri multi-stratificate groase de cativa nanometri, descoperite de A.Fert (Franta) si P. Grunberg (Germania), pentru care au primit Premiul Nobel in 2007. Aplicatiile practice au urmat la scurt timp dupa, iar unu dintre cei mai sofisticati senzori pe baza de magnetorezistenta gigant sunt valvele de spin, aplicatia acestor senzori in capurile de citire ale hard-diskurilor facand posibila cresterea capacitatii acestora cu pana la doua ordine de marime. Incepand cu 1997, aproximativ 5 miliarde de astfel de capete de citire au fost produse. Recent insa acestia au fost inlocuiti cu senzori si mai eficienti ce utilizeaza un alt efect de magnetorezistenta si anume magnetorezistenta tunel. Indiferent insa daca senzorii utilizeaza magnetorezistenta gigant sau magnetorezistenta tunel, ambii au in comun faptul ca in starea initiala vectorii de magnetizare in cele 2 straturi feromagnetice trebuie sa fie antiparalele fiindca doar atunci campul aplicat le va schimba orientarea mutuala. Daca vectorii de magnetizare ar fi fost insa paraleli, atunci campul aplicat nu ar schimba orientarea lor mutuala si un astfel de sistem nu ar mai fi sensibil la camp.