ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)

Az előadások a következő témára: "ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)"— Előadás másolata:

1 ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)
Kádár György MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézet 2018. szeptember 22. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

2 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
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 2018. szeptember 22. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

3 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
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 2018. szeptember 22. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

4 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
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 2018. szeptember 22. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

5 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
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 2018. szeptember 22. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

6 A mágneses anyagok típusai
A különböző anyagok mind valamilyen módon válaszolnak a külső mágneses hatásra, mondhatjuk: mind valamilyenfajta mágnes. Egzotikus osztályozásoktól eltekintve a mágnesség az itt látható alapvető típusokba sorolható. 2018. szeptember 22. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

7 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
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 2018. szeptember 22. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

8 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
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 szer kisebb Curie-pontot adna. Nem elég a rendeződéshez. 2018. szeptember 22. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

9 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
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> AFM: J12<0 nagyságrendje alkalmas az atomi mágneses momentumok rendezett sorbaállításához (kb szerese a dipól-dipól energiának) 2018. szeptember 22. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

10 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
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 2018. szeptember 22. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

11 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
A mágnesezettség irányfüggését, anizotrópiáját okozhatja a mágneses anyag alakja is: Lapos korong nehéz iránya a merőleges forgástengelye vagyis Hosszú tű könnyű iránya a tű hossz-tengelye a korong síkjában minden irány könnyű irány 2018. szeptember 22. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

12 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
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. 2018. szeptember 22. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

13 Hiszterézis az M(H) függvényben
Barkhausen ugrások 2018. szeptember 22. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

14 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
Permanens mágnesek: a {H·B} energiaszorzat növekedése Transzformátor vasmagok A „vasveszteség” – a hiszterézishurok területe minél kisebb legyen Mágnestérfogatok azonos mágneses energiához R. Skomski and J. Coey: PRB 48, (1993) 2018. szeptember 22. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

15 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
Memóriaanyagokban négyszög alakú határozott koercitív erejű de nem túl nagy remanenciájú hiszterézis Audio-video szalagokban nagy remanenciájú, megdőlt fel- és lefutású hiszterézis 2018. szeptember 22. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

16 A 2007-es Fizikai Nobel-díj
2018. szeptember 22. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

17 Hogyan is működik a Winchester?
2018. szeptember 22. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

18 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
Óriás Mágneses Ellenállásváltozás Giant 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. 2018. szeptember 22. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

19 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
2018. szeptember 22. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

20 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
A. Fert et al. PRL (1988) 2018. szeptember 22. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

21 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
P. Grünberg et al. PRB (1989) 2018. szeptember 22. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

22 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
Julliere, 1975, Phys.Lett. b) Maekawa és Gafert, 1982, MAG-18 c) Miyazaki és Tezuka, 1995, JMMM d) Moodere et al., 1995, PRL (! 295K !) 2018. szeptember 22. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

23 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
Mágneses alagút átmenet félvezető rétegekből: 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 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. 2018. szeptember 22. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

24 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
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 csatolással c) A fix réteghez egy másik ellentétes irányú fix réteg csatlakozik, a szabad réteg hiszterézisének középpontja közelebb kerül az origóhoz d) A szabad réteghez is csatolva van egy ellentétes irányú szabad réteg, a hiszterézis az origó körül szimmetrikus 2018. szeptember 22. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

25 Spinszelep és transzverzális áram
2018. szeptember 22. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

26 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
A technológia időbeli fejlődése: 2018. szeptember 22. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

27 Az IBM cég longitudinális MR és GMR szenzor szerkezetei
2018. szeptember 22. 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 system Physical Review, 171, 574, (1969). 8.1. B. Antonini, Phys. Letters, 30A 310 (1969) 8.2. B. Antonini, Phys. Rev., (1969) … … Dai B., Appl. Phys. Letters, 85 (22) (2004) 8.85. Rickart M., J. Appl. Physics, 97 (10) no. 10K110 (2005) Eriksson T., J. Alloys and Compounds, (2005) Umetsu RY, J. Phys. Soc. Jpn, (2006) … … 8.95. Franco N, Mater. Sci. Forum, : 314 (2006) Umetsu RY, Mater. Transactions, 47 2 (2006) Mougin A, Phys. Rev. B, (2006) 2018. szeptember 22. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

29 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
2018. szeptember 22. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

30 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
2018. szeptember 22. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba

31 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
Spintronika ma és holnap 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-transzfer Spin tranzisztor, Logika, stb. Új eszközök 2018. szeptember 22. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba