A finals de 1988, A. Fert (Orsay) i P. Grünberg (Jülich), pràcticament de forma simultània i independent descobriren que en multicapes formades per làmines nanomètriques de ferro (Fe) i de Cr (Cr) la resistència elèctrica canviava fortament en presencia d’un camp magnètic relativament feble. Mesuraren canvis de resistència (magnetoresistència) fins al 50%; aquest valor és molt més gran que els major valors reportat fins a la data ( ~ 1% en aliatges de FeNi). A. Fert i P. Grünberg eren conscients de que una nova física estava amagada darrera d’aquest resultats sorprenents i endevinaven ja que aquesta troballa tindria un enorme impacte tecnològic. A. Fert va anomenar aquest efecte: Magnetoresistència Gegant i amb aquest nom (GMR) se l’ha conegut des de llavors.
Era evident que materials i dispositius amb canvis de resistència tan importants trobarien aplicacions immediatament com a sensors de camp magnètic. I així ha sigut. A l’any 1997, tan sols 9 anys després de la descoberta i de la mà dels desenvolupaments fets per S.S. Parkin a IBM, els primers capçals de lectura GMR per a discs durs d’ordinador van sortir al mercat.
La major sensibilitat i el tamany reduït dels sensors magnètics GMR ha permès llegir bits magnètics més petits i per tant augmentar dramàticament la densitat d’informació i reduir la mida dels discs durs dels nostres ordinadors. En menys de 10 anys des del seu descobriment, els GMR han recorregut ràpidament el camí entre els laboratoris universitaris de recerca fonamental fins ser usats un billó de cops al dia i canviar, en certa mesura, les nostres vides.
Descriurem més avall com són els sensors GMR i la física involucrada, però tal vegada sigui útil recordar com es va arribar a aquest descobriment.
Entre els anys 1960 i els 1970 Fert i Campbell estudiaven en gran detall com és la resistència elèctrica en els metalls i aliatges i com aquesta resistivitat elèctrica canvia quan petites quantitat d’altres elements, per exemple Cr, es dilueixen en matrius de metalls ferromagnètics, com el Fe. Aquests estudis els van permetre confirmar que en els metalls ferromagnètics, hi ha dos tipus diferents de portadors de càrrega: electrons amb spi up i electrons amb spi down i que aquest dos canals de transport tenen resistivitats molt diferents. Això vol dir que sofriran processos de dispersió (les seves trajectòries seran desviades) de manera molt diferent per impureses o interfases.
Era doncs natural que la fabricació de interfases ben definides, entre diferents metalls fos un requisit per a entendre encara millor aquests processos de dispersió depenent de l’orientació del spi.
A finals dels anys 1960 el desenvolupament de les tècniques de “molecular beam epitaxy” ja permetia fer créixer semiconductors i a finals de 1970 ja es creixien capes nanomètriques de metalls amb aquests mètodes. Però per a tenir interfases ben definides entre dos materials i fabricar multicapes de dos metalls diferents cal que aquests materials tinguin estructures molt similars, paràmetres de malla molt similars i obtenir el que s’anomena una “epitàxia”. A. Fert i P. Grünberg van fer la mateixa elecció (Fe i Cr) i van fabricar multicapes nanomètriques ( ~ 2 nm) d’aquests metalls.
En una multicapa de Fe/Cr/Fe la magnetització de cada capa magnètica (Fe en aquest cas) apunta en direcció oposada En aplicar un feble camp magnètic paral·lel a la magnetització d’una de les capes, l’altre es veu obligada a girar i així per a un cert camp les dues capes de Fe estaran magnetitzades en la mateixa direcció.
En fer passar un corrent elèctric a través de la heterostructura, els electrons amb spi up que surtin d’un dels elèctrodes de Fe, diguem el superior, i arribin a l’elèctrode inferior sofriran una difusió (resistivitat) diferent si es troben l’elèctrode amb la magnetització paral·lela o antiparal·lela al seu spi. El mateix passa amb els electrons amb spi down i per tant la resistència total que mesurarem serà diferent en cada cas. Així doncs mesurant un canvi de resistència podrem determinar la presencia d’un camp magnètic i la seva orientació. Tindrem un sensor magnètoresistiu.
Esquema d’un sensor GMR: quan les magnetizacions dels dos elèctrodes son antiparal·leles (a dalt) la resistència elèctrica és més gran que quan son paral·leles (a baix)
El canvi de resistència que A. Fert i col·laboradors van mesurar en una multicapa (Fe/Cr/Fe)n va ser de fins un 50%: una Magnetoresistència Gegant. P. Grünberg va mesurar un 10% en una tricapa Fe/Cr/Fe.
Els dispositius GMR son potser, el primer exemple de la conjunció de nanotecnologia i spintrònica. Les unions túnel magnètiques (MTJ) que avui es desenvolupen són el pas següent i tal vegada arribaran a permetre fer capçals de lectura encara més sensibles i petits, canviant radicalment la forma en que emmagatzem la informació en les memòries dinàmiques i fins i tot la pròpia computació.
Referència: http://www.icmab.es/icmab/ca/node/579
Cap comentari:
Publica un comentari a l'entrada