Гигантское магнитосопротивление

Гига́нтское магнитосопротивле́ние (ГМС), квантовомеханический эффект, заключающийся в значительном изменении электрического сопротивления при изменении направления векторов намагниченности соседних магнитных слоёв в магнитных сверхрешётках. ГМС, достигающее более 50% в магнитных полях напряжённостью порядка нескольких эрстед, обнаружено в искусственно созданных магнитных сверхрешётках ${\displaystyle {\text{Fe/Cr}}}$ П. Грюнбергом (1986) и А. Фером (1988) (Нобелевская премия, 2007). Оказалось, что в сверхрешётках, состоящих из ферромагнитных слоёв, разделённых слоями немагнитного или антиферромагнитного металла, магнитные моменты соседних ферромагнитных слоёв антиферромагнитно упорядочены. Под действием небольшого магнитного поля они упорядочиваются ферромагнитно, как показано на рис. 1; при этом наблюдается ГМС. При оптимизации схемы «слойки» был изобретён спиновый вентиль (спиновый клапан), который ныне используется в головках жёстких магнитных дисков. В нём один из ферромагнитных слоёв (например, из ${\displaystyle {\text{Co}}}$ или ${\displaystyle {\text{Co}}_{90}{\text{Fe}}_{10}}$) напылён на слой антиферромагнетика (например, ${\displaystyle {\text{Mn}}_{76}{\text{Ir}}_{24}}$ или ${\displaystyle {\text{Mn}}_{50}{\text{Pt}}_{50}}$). Т. к. небольшое внешнее магнитное поле не перемагничивает антиферромагнетик, а соседний ферромагнитный слой связан с ним обменным взаимодействием, его намагниченность оказывается закреплённой. Второй же ферромагнитный слой может быть свободно перемагничен магнитным полем малой напряжённости порядка 2–4 Э (160–320 А/м); при этом возникает ГМС.

Механизм ГМС состоит в неодинаковом рассеянии двух групп электронов, различающихся ориентацией спинов по отношению к направлениям намагниченности рассеивающих электроны ферромагнитных слоёв. При этом необходимо, чтобы средние длины свободного пробега для этих двух групп электронов различались. Такая ситуация наблюдается в 3d-ферромагнитных металлах. В результате электроны со спином, параллельным ферромагнитным слоям при ${\displaystyle H\geqslant H_{s}}$, слабо рассеиваются (${\displaystyle H_{s}}$ – поле насыщения). Наоборот, электроны со спином, антипараллельным намагниченности, рассеиваются сильно и при ${\displaystyle H=0}$ понижают суммарный электрический ток через мультислойную структуру. Таким образом, включение магнитного поля, превышающего ${\displaystyle H_{s}}$, вызывает эффект ГМС.

ГМС наблюдают также в гранулированных магнитных плёнках и структурах. В этих структурах в немагнитной металлической плёнке располагаются ферромагнитные гранулы (например, гранулы ${\displaystyle {\text{Co}}}$ в плёнке ${\displaystyle {\text{Cu}}}$). При ${\displaystyle H=0}$ магнитные моменты гранул ориентированы произвольным образом и электрическое сопротивление максимально из-за рассеяния на них носителей заряда. Когда внешнее магнитное поле ориентирует моменты гранул по своему направлению, рассеяние носителей заряда на магнитных моментах гранул уменьшается, вызывая эффект ГМС. Использование эффекта ГМС привело к резкому увеличению плотности записи на жёстких магнитных дисках.