Obří magnetorezistence (GMR): princip, využití a Nobelova cena 2007

Obří magnetorezistence (GMR): princip, využití v pevných discích a příběh Nobelovy ceny 2007 — pochopte klíčový objev, který změnil čtení dat.

Obří magnetorezistence (GMR) je velmi malý magnetický jev, který se vyskytuje v tenkých vrstvách železa a jiných materiálů. Používá se ke čtení a zápisu informací v pevných discích.

GMR efekt lze měřit, když se ke změně toku elektřiny použije magnet. Nobelovu cenu za fyziku v roce 2007 získali Albert Fert a Peter Grünberg za objev GMR.

Princip a fyzikální mechanismus

Základ GMR spočívá v tom, že odpor elektrického proudu v sestavě z tenkých vrstev feromagnetického a nemagnetického materiálu závisí na relativní orientaci magnetizace feromagnetických vrstev. Když jsou magnetizace sousedních feromagnetických vrstev paralelní, elektrony s určitým spinem procházejí snáze a odpor je nižší. Pokud jsou magnetizace antiparalelní, dochází k silnějšímu rozptylu elektronů a odpor stoupá.

Mechanismus lze popsat pomocí tzv. dvou-proudového modelu (Mottův model): vodič má samostatné kanály pro elektrony se spinem „nahoru“ a „dolů“. Feromagnety favorizují přenos jednoho ze spinů, takže celkový odpor závisí na tom, zda elektrony při průchodu vrstvami setkávají příznivou nebo nepříznivou magnetickou orientaci.

Struktury a typy GMR zařízení

• Multivrstvy (multilayers) – střídání tenkých vrstev feromagnet/nekov (např. Fe/Cr). V některých tloušťkách mezivrstvy dochází k RKKY interakci, která může vzájemně zarovnat magnetizace antiparalelně.
• Spin-valve – dvě feromagnetické vrstvy oddělené nekovovou vrstvou, z nichž jedna je „zafixovaná“ (pinovaná) pomocí antiferomagnetické vrstvy a druhá je volná. Změna orientace volné vrstvy dává dvě stabilní hodnoty odporu.
• Geometrie proudu: current-in-plane (CIP) – proud teče rovnoběžně s vrstvami, a current-perpendicular-to-plane (CPP) – proud prochází kolmo vrstvami. CPP obvykle poskytuje větší relativní změnu odporu.

Velikost efektu a měření

Relativní změna odporu označovaná jako GMR poměrně kolísá podle materiálů a konstrukce: typicky se pohybuje řádově od několika procent až po několik desítek procent v lepších strukturách a v optimalizovaných geometrických uspořádáních. Měří se porovnáním odporu pro paralelní a antiparalelní orientaci magnetizací.

Praktické využití

• Čtecí hlavy pevných disků – GMR senzory výrazně zvýšily citlivost čtecích hlav a tím umožnily prudký nárůst hustoty záznamu v pevných discích (díky čemuž jsou dnešní disky mnohem kapacitnější než dříve).
• Magnetické senzory – pro měření pole, polohy, otáček nebo proudu v průmyslových aplikacích a v automobilovém průmyslu.
• Magnetická paměť (MRAM) – technologické aplikace využívající změnu odporu pro ukládání bitů; později konkurovány a doplňovány efekty jako tunnel magnetoresistance (TMR).
• Biomedicínské a analytické senzory – využití citlivých magnetických senzorů pro detekci magnetických nanočástic v diagnostice nebo bioanalýze.

Historie a Nobelova cena 2007

GMR byla nezávisle objevena koncem 80. let 20. století dvěma týmy: týmem vedeným Albertem Fertem ve Francii a týmem Petera Grünberga v Německu (Fert a Grünberg publikovali objevy v roce 1988). Tento objev měl okamžitý technologický dopad, především v oblasti záznamových technologií, a otevřel pole spintroniky – oboru, který využívá spin elektronů vedle jejich náboje.

Za tyto průlomové experimentální objevy obdrželi Albert Fert a Peter Grünberg Nobelovu cenu za fyziku v roce 2007. Nobelova komise ocenila jak fundamentální pochopení fyziky spojené s GMR, tak i bezprostřední praktické dopady v technologii záznamu dat.

Současnost a související jevy

GMR položila základy oboru spintroniky; od jejího objevu se vyvinuly další magnetorezistivní efekty – zejména tunnel magnetoresistance (TMR), který používá tenkou izolační vrstvu a poskytuje často ještě vysoké změny odporu, což je důležité pro moderní MRAM a čtecí hlavy. Vývoj materiálů, nanoarchitektur a metod výroby pokračuje a umožňuje stále citlivější a energeticky úspornější magnetické senzory a paměťová řešení.

Shrnutí: Obří magnetorezistence je klíčový kvantově-mechanický jev v tenkých vrstvách feromagnetických a nemagnetických látek. Díky němu došlo k revoluci v technologii čtení magnetických záznamů, k založení spintroniky a k udělení Nobelovy ceny za fyziku v roce 2007 Albertu Fertovi a Peteru Grünbergovi.

Otázky a odpovědi

Otázka: Co je to obří magnetorezistence (GMR)?

Otázka: Jak se GMR efekt měří?

Otázka: Komu byla v roce 2007 udělena Nobelova cena za fyziku za objev GMR?

Otázka: Jaký význam má GMR efekt?

Otázka: V jakých materiálech se GMR efekt vyskytuje?

Otázka: Lze GMR efekt pozorovat pouhým okem?

Otázka: Jaký význam má objev GMR?

Hledání podle dopisu