Tunnelmagnetresistans, tunnelmagnetoresistans eller magnetoresistans (förkortning TMS , eng. Tunnelmagnetoresistance , förkortning TMR) är en kvantmekanisk effekt som visar sig när ström flyter mellan två lager av ferromagneter åtskilda av ett tunt (ca 1 nm ) dielektriskt skikt . I det här fallet beror enhetens totala motstånd , i vilken strömmen flyter på grund av tunneleffekten , på den ömsesidiga orienteringen av magnetiseringsfälten för de två magnetiska skikten. Resistansen är högre för antiparallell magnetisering av skikten. Tunnelreluktanseffekten liknar den gigantiska reluktanseffekten , men istället för ett icke-magnetiskt metallskikt använder den ett skikt av isolerande tunnelbarriär.
Effekten upptäcktes 1975 av Michel Julière med järn som ferromagnet och germaniumoxid som dielektrikum ( Fe / GeO / Co -struktur ). Denna effekt manifesterade sig vid en temperatur på 4,2 K , medan den relativa förändringen i motstånd var cirka 14 %, därför väckte den inte uppmärksamhet på grund av bristen på praktisk tillämpning [1] .
Vid rumstemperatur upptäcktes effekten först 1991 av Terunobu Miyazaki ( Tohoku University , Japan ), förändringen i motstånd var endast 2,7%. Senare, 1994 , upptäckte Miyazaki först i Fe/ Al 2 O 3 /Fe-övergången ett magnetoresistansförhållande på 30 % vid 4,2 K och 18 % vid 300 K [2] . Oberoende av honom fann en grupp forskare under ledning av Jagadish Mudera en effekt på 11,8 % i CoFe- och Co-föreningar [3] , i samband med det förnyade intresset för forskning inom detta område efter upptäckten av den gigantiska magnetiska resistanseffekten . Den största effekten som observerades vid den tiden med aluminiumoxidisolatorer var cirka 70 % vid rumstemperatur.
År 2001 gjorde Butlers grupp och Matons grupp oberoende en teoretisk förutsägelse att genom att använda järn som en ferromagnet och magnesiumoxid som ett dielektrikum, kan effekten av tunnling av magnetiskt motstånd öka med flera tusen procent. Samma år var Bowen et al de första som rapporterade experiment som visade signifikant tunnelmagnetoresistans i en MgO (Fe/MgO/FeCo) tunnelövergång [4] .
År 2004 kunde Perkins grupp och Yuas grupp tillverka enheter baserade på Fe/MgO/Fe och uppnå en tunnelmagnetoresistans på 200 % vid rumstemperatur [5] .
Under 2007 ersatte TMR-enheter med magnesiumoxid helt gigantiska reluktansenheter på marknaden för magnetisk lagring .
År 2008 observerade S. Ikeda, H. Ono et al från Tohoku University i Japan effekten av en relativ förändring i motståndet på upp till 604 % vid rumstemperatur och mer än 1100 % vid 4,2 K i CoFeB/MgO/CoFeB-föreningar [6] .
I klassisk fysik , om energin hos en partikel är mindre än barriärens höjd, reflekteras den helt från barriären. Tvärtom, inom kvantmekaniken finns det en sannolikhet som inte är noll att hitta en partikel på andra sidan barriären. I strukturen ferromagnet - isolator - ferromagnet för en elektron med energi ε F , är isolatorn en barriär med tjocklek d och höjd ε В > ε F .
Låt oss betrakta bandstrukturen för magnetiska ( Co , Fe , Ni ) metaller. Övergångsmetaller har 4s, 4p och 3d valenselektroner som skiljer sig i orbital momentum. 4s- och 4p-tillstånden bildar ett sp- ledningsband , i vilket elektroner har en hög hastighet, en låg densitet av tillstånd och följaktligen en lång medelfri väg , det vill säga det kan antas att de är ansvariga för konduktiviteten av 3d metaller. Samtidigt kännetecknas d-bandet av en hög densitet av tillstånd och en låg elektronhastighet.
Som bekant delas d-bandet i ferromagnetiska 3d-metaller på grund av utbytesinteraktionen . I enlighet med Pauli-principen, på grund av Coulomb-avstötningen av d-elektroner, är det energetiskt gynnsammare för dem att ha parallellt orienterade snurr, vilket leder till uppkomsten av ett spontant magnetiskt ögonblick. Med andra ord, på grund av utbytesdelningen av d-bandet, är antalet upptagna tillstånd olika för elektroner med snurr upp och ner, vilket ger ett magnetiskt moment som inte är noll.
I frånvaro av ett magnetfält har ferromagnetiska elektroner motsatt magnetiseringsriktning (antiparallell konfiguration, AR). D-elektronbandet delas av utbytesinteraktionen som visas i figuren. I detta fall, elektroner med spin up tunnel från ett större antal tillstånd till ett mindre och vice versa för elektroner med motsatt spin. Påläggandet av ett magnetfält leder till en parallell orientering (P) av magnetiseringen av de ferromagnetiska elektroderna. I det här fallet går spin-up-elektroner från ett större antal tillstånd till fler tillstånd, och spin-down-elektroner går från ett litet antal tillstånd till ett litet. Detta resulterar i en skillnad i tunnelmotstånd för parallella och antiparallella konfigurationer. Denna förändring i motstånd vid omorientering av magnetisering i ett externt magnetfält är en manifestation av tunnelmagnetoresistans (TMR).
För närvarande har magnetoresistivt random access-minne ( MRAM ) skapats baserat på effekten av tunnling av magnetiskt motstånd, och det används också i läshuvudena på hårddiskar .