Tunnelin magneettiresistanssi, tunnelin magnetoresistanssi tai magnetoresistanssi (lyhennetty TMS , eng. Tunnel magnetoresistence , lyhenne TMR) on kvanttimekaaninen ilmiö, joka ilmenee, kun virta kulkee kahden ferromagneettikerroksen välillä, joita erottaa ohut (noin 1 nm ) dielektrinen kerros . Tässä tapauksessa laitteen kokonaisresistanssi , jossa virta kulkee tunneliilmiön vuoksi , riippuu kahden magneettikerroksen magnetointikenttien keskinäisestä suunnasta. Resistanssi on suurempi anti-rinnakkaisellakerrosmagnetointi. Tunnelointireluktanssivaikutus on samanlainen kuin jättiläismäinen reluktanssivaikutus , mutta ei-magneettisen metallikerroksen sijasta se käyttää eristävän tunnelin esteen kerrosta.
Vaikutuksen havaitsi vuonna 1975 Michel Julière käyttämällä rautaa ferromagneettina ja germaniumoksidia dielektrisenä ( Fe / GeO / Co -rakenne ). Tämä vaikutus ilmeni lämpötilassa 4,2 K , kun suhteellinen muutos vastuksessa oli noin 14 %, joten käytännön soveltamisen puutteen vuoksi se ei herättänyt huomiota [1] .
Huoneenlämpötilassa vaikutuksen havaitsi ensimmäisen kerran vuonna 1991 Terunobu Miyazaki ( Tohoku University , Japani ), resistanssin muutos oli vain 2,7%. Myöhemmin, vuonna 1994 , Miyazaki havaitsi ensimmäisen kerran Fe/ Al 2 O 3 /Fe -siirtymässä magnetoresistanssisuhteen 30 % lämpötilassa 4,2 K ja 18 % lämpötilassa 300 K [2] . Hänestä riippumatta Jagadish Muderan johtama tiedemiesryhmä havaitsi 11,8 %:n vaikutuksen CoFe- ja Co-yhdisteissä [3] , mikä liittyy uuteen kiinnostukseen tämän alan tutkimusta kohtaan, kun jättimäisen magneettiresistanssin vaikutus löydettiin . Suurin tuolloin alumiinioksidieristeillä havaittu vaikutus oli noin 70 % huoneenlämpötilassa.
Vuonna 2001 Butlerin ryhmä ja Matonin ryhmä tekivät itsenäisesti teoreettisen ennusteen, että käyttämällä rautaa ferromagneettina ja magnesiumoksidia dielektrisenä magneettisen vastuksen vaikutus voi kasvaa useilla tuhansilla prosenteilla. Samana vuonna Bowen ym. raportoivat ensimmäisinä kokeista, jotka osoittivat merkittävää tunnelointimagnetoresistanssia MgO (Fe/MgO/FeCo) tunneliliitoksessa [4] .
Vuonna 2004 Perkinin ryhmä ja Yuasin ryhmä pystyivät valmistamaan Fe/MgO/Fe-pohjaisia laitteita ja saavuttamaan 200 % tunnelointimagnetoresisenssin huoneenlämpötilassa [5] .
Vuonna 2007 magnesiumoksidi-TMR-laitteet korvasivat kokonaan jättimäiset reluktanssilaitteet magneettitallennusmarkkinoilla .
Vuonna 2008 S. Ikeda, H. Ono ym. Tohoku-yliopistosta Japanista havaitsivat CoFeB/MgO/CoFeB-yhdisteiden resistanssin suhteellisen muutoksen vaikutuksen, joka oli jopa 604 % huoneenlämpötilassa ja yli 1100 % 4,2 K lämpötilassa. [6] .
Klassisessa fysiikassa , jos hiukkasen energia on pienempi kuin esteen korkeus, se heijastuu kokonaan esteestä. Päinvastoin, kvanttimekaniikassa on nollasta poikkeava todennäköisyys löytää hiukkanen esteen toiselta puolelta. Rakenteessa ferromagneetti - eriste -ferromagneetti elektronille, jonka energia on ε F , eriste on este, jonka paksuus on d ja korkeus ε В > ε F.
Tarkastellaan magneettisten ( Co , Fe , Ni ) metallien vyöhykerakennetta . Siirtymämetalleilla on 4s-, 4p- ja 3d-valenssielektroneja, jotka eroavat kiertoradalla. 4s- ja 4p-tilat muodostavat sp- johtavuuskaistan , jossa elektroneilla on suuri nopeus, alhainen tilatiheys ja näin ollen pitkä keskimääräinen vapaa polku eli voidaan olettaa, että ne ovat vastuussa elektronin johtavuudesta. 3d metallit. Samaan aikaan d-kaistalle on ominaista suuri tilojen tiheys ja alhainen elektronin nopeus.
Kuten tiedetään, ferromagneettisissa 3d-metalleissa d-kaista on jaettu vaihtovuorovaikutuksen vuoksi . Paulin periaatteen mukaisesti d-elektronin Coulombin hylkimisen vuoksi niillä on energeettisesti edullisempaa, että niillä on yhdensuuntaiset spinit, mikä johtaa spontaanin magneettisen momentin ilmaantumiseen. Toisin sanoen d-kaistan vaihtojakamisesta johtuen varattujen tilojen lukumäärä on erilainen elektroneille, jotka pyörivät ylös ja alas, mikä antaa nollasta poikkeavan magneettisen momentin.
Magneettikentän puuttuessa ferromagneettisilla elektroneilla on vastakkainen magnetoitumissuunta (anti-rinnakkaiskonfiguraatio, AR). D-elektronikaista jaetaan vaihtovuorovaikutuksella kuvan osoittamalla tavalla. Tässä tapauksessa elektronit, joilla on spin up tunneliin suuremmasta määrästä tiloja pienempään ja päinvastoin elektroneille, joilla on vastakkainen spin. Magneettikentän aikaansaaminen johtaa ferromagneettisten elektrodien magnetoinnin rinnakkaiseen orientaatioon (P). Tässä tapauksessa spin-up-elektroni tunnelee suuremmasta määrästä tiloja useampaan tilaan ja spin-down-elektroni tunneli pienestä määrästä tiloja pieneen. Tämä johtaa eroon tunnelin vastuksissa rinnakkaisissa ja anti-rinnakkaiskokoonpanoissa. Tämä resistanssin muutos magnetisoinnin uudelleensuuntautuessa ulkoisessa magneettikentässä on tunnelointimagnetoresistenssin (TMR) ilmentymä.
Tällä hetkellä magnetoresistinen hajasaantimuisti ( MRAM ) on luotu tunneloivan magneettiresistanssin vaikutuksesta, ja sitä käytetään myös kiintolevyjen lukupäissä .