MAGNETO-RESISTENCIA GIGANTE: DEL LABORATORIO AL
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Premio Nobel del Física 2007 MAGNETO-RESISTENCIA GIGANTE: DEL LABORATORIO AL DISCO DURO DEL PC • Descubrimiento de la magnetoresistencia gigante (GMR). • La GMR ha revolucionado las técnicas de lectura de datos en discos duros. • La GMR ha permitido desarrollar una nueva generación de sensores y dispositivos electrónicos. • La GMR constituye una de las primeras grandes aplicaciones de la nanotecnología. Albert Fert (1938) Université Paris-Sud Unité Mixte de Physique CNRS/THALES Orsay, France Peter Grünberg (1939) Forschungszentrum Jülich Jülich, Germany Esquema de la charla • Electrónica versus espintrónica • Aislantes, semiconsuctores, metales • Tecnología FET-MOS • Materiales ferromagnéticos •¿Qué es la magnetorresistencia? • Magnetorresistencia normal • Magnetorresistencia gigante en multicapas magnéticas • La válvula de spin • Aplicaciones a la lectura de datos • Memorias RAM basadas en válvulas de spin • Otras consecuencias y desarrollos TECNOLOGÍA MOS DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES Memoria RAM Procesador Unidades USB MAGNETISMO Disco duro Discos flexibles Discos ópticos OPTOELECTRÓNICA LÁSERES/FOTODIODOS SEMICONDUCTORES ELECTRÓNICA: carga/corriente MAGNETISMO: Espín ¿ESPINTRÓNICA? Bandas de energía en los sólidos AISLANTE E EF E Eg 5-10 eV N(E) METAL SEMICONDUCTOR EF E Eg 0.05-3 eV N(E) EF N(E) Metal o semimetal Metales de transición E E d EF EF s N(E) N(E) TECNOLOGÍA MOS: Transistor FET-MOS +5V +5V D D n G n +5V MO p n p MO n S S S S RDS > 10 MΩ G RDS ≈ 0 Bit MOS +5V I DS1 ≈ 0 VD1 ≈ 5V S1 I DS 2 ≈ I max D1 D2 V ≈ 0 D2 G1 G2 S2 Ley de Moore Materiales magnéticos Contienen átomos de elementos de transición (capas d incompletas: Cr, Mn, Fe, Co, Ni) o tierras raras (capas f incompletas: Gd, Nd, Eu, etc) ω r r r ml = IS u = e π r 2u 2π r r l = me r 2ω u r u e r r ml = l 2me e ml = hL = µ B L 2me mS = gµ B S ≅ 2µ B S 2 Mn (3d54s2) 1 0 -1 5 5 L=0 S = J= 2 2 m = 5µ B -2 Materiales paramagnéticos r B=0 r M =0 B r B≠0 r M ≠0 Materiales ferromagnéticos r B=0 r M ≠0 Materiales antiferromagnéticos r B=0 r M =0 Histéresis d M Dominios magnéticos HC c MS b a H r B=0 r M ≠0 r B=0 r M =0 Lectura dB Vi = − NS dt Escritura Vi Material ferromagnético I ¿Qué es la magnetorresistencia? R( B) − R(0) ∆R = = CB2 R(0) R(0) Origen de la magnetorresistencia “normal” J = en∆v = enµE J =σ E E E =0 v =0 ∆v = aτ = J= eE eτ τ= E = µE m* m* I S R= E= V L V L = I σS Origen de la magnetorresistencia “normal” r r r F = −ev × B r v r B r Fm L0 = rθ L0 θ θ θ 3 LB = 2r sin ≈ 2r − 2 2 8 LB θ/2 r ω 2r = evB eω rB = m m ωC = eB m ∆L L0 − LB = ∝θ 2 L0 L0 ∆R ∆L 2 = ∝ (µB ) R0 L0 θ = ωCτ = eB eτ τ = B = µB m m µ ≈ 0.5 m2 / Vs B = 0.1 T ∆R ≈ 2.5 ×10−3 R0 Metales normales E Metales de transición (Mn, Fe, Co, Ni) E Bandas d EF EF Bandas s Bandas s N(E) N(E) J =σ E Sir Nevill F. Mott J = J ↑ + J ↓ = (σ ↑ + σ ↓ )E Premio Nobel de Física 1977 e2 n↑τ ↑ σ↑ = m* E J EF Bandas d J↑ J↓ Rss↑ N(E) Rsd ↑ Rsd ↓ Rss↓ Espín mayoritario: “up” Rss < Rsd Bandas s e2 n↓τ ↓ σ↓ = m* Rsd ↑ < Rsd ↓ τ ↑ >>τ ↓ Magnetorresistencia anisotrópica ρ = ρ0 + ∆ρ cos2 θ M θ J ∆ρ ρ ≈ 0.01 Menor sección eficaz: Menor resistencia Mayor sección eficaz: Mayor resistencia Sensores de lectura AMR 1960-1997 Sensor AMR Electroimán de escritura Blindaje magnético 1856 William Thomson (Lord Kelvin) Material de grabación Magnetorresistencia gigante Fe Cr Baibich et al., Phys. Rev. Lett. 61, 2472 (1988) (FERT) 4.2 K Binasch et al., Phys. Rev. B 38, 4828 (1989) (GRÜNBERG) 300 K FM NM FM FM NM FM B=0 J↑ J↑ J↓ J↓ 1 J R2↑ (r2 ) J↓ R2↓ (r1 ) RB =0 R1↓ (r2 ) 1 2 J ↑ R1↑ (r1 ) r +r r = 1 2 ≈ 2 (r1 << r2 ) 2 2 B≠0 J 2 J ↑ R1↑ (r1 ) R2↑ (r1 ) J↓ R2↓ (r2 ) RB ≠0 = R1↓ (r2 ) 2r1 × 2r2 ≈ 2r1 (r1 << r2 ) 2r1 + 2r2 Válvula de espín Sensores de lectura GMR 1997 FM1 NM FM2 Sensor GMR Electroimán de escritura Blindaje magnético Material de grabación Duro Blando Ley de Kryder Efecto túnel en sólidos Aislante (óxido) M O M I MOM V eV I Semiconductor, Metal o Superconductor Leo Esaki SP-SN V Premio Nobel de Física 1973 Ivar Giaever Brian D. Josephson Unión túnel magnética FM1 A FM2 B≠0 eV FM1 A FM2 B=0 eV Aumentando el efecto GMR: corrientes con 100% de polarización de espín en semimetales o semiconductores ferromagnéticos CrO2 , La2/3Sr1/3MnO3 EF eV EF eV Memoria RAM magnética Conmutación por transferencia de spin Arrastre de paredes de los dominio ferromagnéticos Lectura/escritura Bit MRAM Otros dispositivos: LED de espín LED LED de espín GaAs S-p S-n Ga1-xMnxAs Luz no polarizada S-p S-n E E hν~Eg σ- σ+ Luz polarizada circularmente Electrónica versus espintrónica Corriente eléctrica: flujo de carga Válvulas de espín: Flujo de electrones con polarización de espín “Corriente” de espín: flujo de espín I Flujo de espín -I Asimetría en la dispersión Efecto Hall de espín I GaAs M. I. D’yakonov, V. I. Perel, JETP Lett. 13, 467 (1971) Detección del efecto Hall de espín mediante efecto Kerr Y. K. Kato, et al. Science 306, 1910 (2004) Otros dispositivos: QUBITS Trampas de espín Válvulas de espín Preparación del estado Qubits atómicos: Trampas magnéticas en vacío H Evolución Válvulas de espín Lectura Qubits sólidos: Puntos cuánticos en semiconductores
