Казиклассическая теория гигантского магнетосопротивления в наноразмерных магнитных контактах.

Лаборатория резонансных явлений.
Водопьянов Борис Петрович.

Суть явления гигантского магнетосопротивления (GMR), открытого чуть более десяти лет тому назад, состоит в том, что проводимость контакта двух магнитных доменов существенно зависит от взаимной ориентации их намагниченностей. Проводимость контакта магнетиков при параллельной ориентации их намагниченностей значительно больше, чем при антипараллельной. Несмотря на то, что применения эффекта GMR уже реализованы в виде магниторезистивных головок чтения в скоростных жестких дисках компьютеров и микросхем магниторезистивной памяти, физического понимания и математического описания эффекта GMR не было. Недавно выполнены эксперименты по измерению магнетосопротивления точечных контактов двух магнитных доменов (поперечный размер контакта порядка 1 нм.). Магнетосопротивление достигало 280%  [1,2].

Данная работа посвящена объяснению эффекта гигантского магнетосопротивления,  наблюдающегося в контактах магнетиков различного вида.  В ней развита квазиклассическая теория проводимости и магнетосопротивления магнитных наноразмерных точечных контактов, которые представляет собой физически предельно малый магнеточувствительный элемент магнетоэлектроники. На примере точечных магнитных контактов установлены причины возникновения GMR и условия при которых оно реализуется. Вычислены их максимально возможные значения магнетосопротивления, как для баллистического, так и для диффузионного режима транспорта в области контакта. Впервые получены решения, справедливые при произвольном соотношении между величиной спинового расщепления зоны проводимости и скоростью релаксации импульса электрона, а также между импульсной длиной свободного пробега электрона проводимости в контактирующих магнетиках и диаметром контакта. Таким образом, теория описывает спин-поляризованный транспорт через точечный контакт от баллистического до диффузного режимов проводимости в области контакта. Для ферромагнитных металлов группы железа теория предсказывает увеличение магнетосопротивления при достижении баллистического режима транспорта до нескольких сот процентов.

Точечный контакт рассматривался как отверстие с радиусом в несколько ангстрем в непроницаемой мембране, разделяющей два магнитных домена, направление намагниченности в которых может изменяться относительно друг друга. Магнетосопротивление определяется, как отношение разности проводимостей контакта при параллельной и антипараллельной ориентации намагниченностей к проводимости контакта при антипараллельной ориентации намагниченностей, выраженное в процентах.

При антипараллельной ориентации намагниченностей доменов, образующих контакт,  доменная стенка создается внутри отверстия с характерными размерами порядка диаметра отверстия. Когда прикладывается напряжение, электроны со спином направленным вверх и со спином направленным вниз пересекают доменную стенку. Если спин сохраняется при прохождении доменной стенки, тогда электроны со спином вверх левого домена должны быть приняты подзоной со спином вверх правого домена. Аналогично для электрона со спином вниз. Рассматривается зеркальное отражение электронов от границы.

В этом случае из-за большой разности фермиевских импульсов в подзонах только электроны с узким конусом углов падения вокруг нормали к границе (параллельная границе компонента импульса сохраняется) пропускаются областью точечного контакта. Электроны, имеющие большие углы падения, испытывают полное внутреннее отражение. Это обуславливает большое магнетосопротивление точечных магнитных контактов. Этот механизм  образования GMR является общим для всех видов магнитных контактов. Чтобы спин электрона проводимости сохранялся при прохождении доменной стенки необходимо, чтобы баллистическое время пролета через доменную стенку было короче времени его продольной релаксации T₁.  В этом случае доменная стенка для электрона проводимости является эффективно резкой.

Для ступенчатого потенциала в баллистическом пределе получено следующее выражение для магнетосопротивления:

Здесь дельта- поляризованность магнетика: отношение фермиевских импульсов спиновых подзон. Дельта меньше единицы.
Для произвольного соотношения между диаметром отверстия (2а) и длиной свободного пробега электрона проводимости, магнетосопротивление рассчитано численно и представлено на рисунке 1.

 
Рис.1 Зависимость магнетосопротивления от радиуса контакта.

Теория хорошо согласуется с имеющимися экспериментами на наноразмерных никель-никелевых и кобальт-кобальтовых точечных контактах, показывающих гигантские величины магнетосопротивления достигающие 300% при комнатной температуре. Теория предсказывает еще большие значения магнетосопротивления, достигающие 1000 и более процентов, если наноконтакт будет сделан из синтезированных недавно магнитных материалов (например, монокристаллического диоксида хрома, CrO₂), обладающих рекордно большими спиновыми поляризациями зоны проводимости.

Литература:

1. N.Garcia, M.Munoz, and Y.-W.Zhao, Phys.Rev.Lett. 82,2923 (1999).
2. G.Tatara, Y.-W.Zhoao, M.Munoz, and N.Garcia, Phys.Rev.Lett. 83, 2030  (1999).