MAGNETO-RESISTENCIA GIGANTE: DEL LABORATORIO AL DISCO DURO DEL PC
Premio Nobel del FPremio Nobel del Fíísica 2007sica 2007
Peter Grünberg (1939)Forschungszentrum Jülich Jülich, Germany
Albert Fert (1938)Université Paris-SudUnité Mixte de Physique CNRS/THALES Orsay, France
• Descubrimiento de la magneto-resistencia 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.
• 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
EsquemaEsquema de la de la charlacharla
ProcesadorMemoria RAM
Unidades USB
Discos ópticos
Disco duro
Discos flexibles
TECNOLOGÍA MOSDISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES MAGNETISMO
OPTOELECTRÓNICALÁSERES/FOTODIODOS
SEMICONDUCTORES
ELECTRÓNICA: carga/corriente
MAGNETISMO: Espín
¿ESPINTRÓNICA?
BandasBandas de de energenergííaa en en loslos ssóólidoslidos
EE
EEFF
N(E)N(E)
METAL
EE
EEgg 0.050.05--3 3 eVeV
N(E)N(E)
SEMICONDUCTOR
EEFF
EE
EEgg 55--10 10 eVeV
N(E)N(E)
AISLANTE
EEFF
N(E)N(E)
EEFF
EE
Metal o semimetal
N(E)N(E)
EEFF
EE
Metales de transición
dd
ss
n
+ 5 V
p
n+ 5 V
0≈DSR
M O
S
M OG
n
+ 5 V
p
n
S
Ω> MRDS 10
D
S
TECNOLOGÍA MOS: Transistor FET-MOS
G
D
S
+ 5 V
01 ≈DSI
VVD 51 ≈
max2 IIDS ≈
02 ≈DV
G1
D1
S1G2
D2
S2
Bit MOS
Ley de Moore
MaterialesMateriales magnmagnééticosticos
ContienenContienen áátomostomos de de elementoselementos de de transicitransicióónn ((capascapas ddincompletasincompletas: Cr, : Cr, MnMn, Fe, Co, Ni) o , Fe, Co, Ni) o tierrastierras rarasraras ((capascapas ff
incompletasincompletas: : GdGd, , NdNd, , EuEu, etc), etc)
ur
urml err
ω2= ureuISmlrrr 2
2π
πω
==
lmem
el
rr
2=
LLmem B
el µ== h
2 SSgm BBS µµ 2≅=
MnMn (3d(3d554s4s22))
--22
--110011
22
25
250 === JSL Bm µ5=
MaterialesMateriales paramagnparamagnééticosticos
00
=
=
MBr
r
00
≠
≠
MBr
r
BB
MaterialesMaterialesferromagnferromagnééticosticos
00
≠
=
MBr
r
00
=
=
MBr
r
MaterialesMaterialesantiferromagnantiferromagnééticosticos
00
≠
=
MBr
r
DominiosDominios magnmagnééticosticos
00
=
=
MBr
r
MM
HH
HistHistééresisresis
MMSS
HHCC aabb
ccdd
II
EscrituraEscrituraLecturaLectura
VVii
dtdBNSVi −=
Material Material ferromagnferromagnééticotico
¿¿QuQuéé eses la la magnetorresistenciamagnetorresistencia??
CBR
RR
RBR 2
)0()0()0()(
=∆
=−
OrigenOrigen de la de la magnetorresistenciamagnetorresistencia ““normalnormal””
00 =vE =
Een=venJ µ∆=
EJ σ=
LVE
SIJ ==
SL
IVR
σ==EE
me
meEa=v µτττ ===∆
**
EE
meB
C =ω
OrigenOrigen de la de la magnetorresistenciamagnetorresistencia ““normalnormal””
L0
LB
rθ/2
−≈=
=
822
2sin2
3
0
θθθ
θ
rrL
rL
B
2
0
0
0
θ∝−
=∆
LLL
LL B
BBme
meB
C µτττωθ ====
( )2
00
BLL
RR µ∝
∆=
∆
mrBe
mevBr ωω ==2
3
0
2
105.2
1.0/5.0
−×≈∆
=≈
RR
TBVsmµ
vr
mFrB
r
BveFrrr
×−=
MetalesMetales normalesnormales
EE
EEFF
N(E)N(E)
BandasBandas ss
MetalesMetales de de transicitransicióónn((MnMn, Fe, Co, Ni), Fe, Co, Ni)
EE
EEFF
N(E)N(E)
BandasBandas ss
BandasBandas dd
EE
EEFF
N(E)N(E)
BandasBandas ss
BandasBandas dd
EJ σ=
( )EJJJ ↓↑↓↑ +=+= σσ
*
2
mne ↑↑
↑ =τ
σ*
2
mne ↓↓
↓ =τ
σ
Sir Nevill F. MottPremio Nobel de Física 1977
↑J
↓J
↑ssR
↓ssR
↑sdR
↓sdR
J
↓↑ >>ττ
EspEspíínn mayoritariomayoritario: : ““upup””
sdss RR < ↓↑ < sdsd RR
1856 William Thomson (Lord
Kelvin)
MagnetorresistenciaMagnetorresistencia anisotranisotróópicapica
Material de grabación
Blindajemagnético
Sensor AMR
Electroimánde escritura
Sensores de lectura AMR 1960-1997
MM
JJθθ
θρρρ 20 cos∆+=
01.0≈∆ρρ
Menor sección eficaz:Menor resistencia
Mayor sección eficaz:Mayor resistencia
MagnetorresistenciaMagnetorresistencia gigantegigante
Baibich et al., Phys. Rev. Lett. 61, 2472 (1988) (FERT)
4.2 K4.2 KBinasch et al., Phys. Rev. B 38, 4828 (1989)
(GRÜNBERG)
300 300 KK
FeFe CrCr
FMFM FMFMNMNM
11 22
0=B
↑J
↓J
)( 11 rR ↑
)( 21 rR ↓
)( 22 rR ↑
)( 12 rR ↓
J
)(22 21221
0 rrrrrRB <<≈+
==
↑J
↓J
)( 11 rR ↑
)( 21 rR ↓
)( 12 rR ↑
)( 22 rR ↓
J
)(22222
21121
210 rrr
rrrrRB <<≈
+×
=≠
FMFM FMFMNMNM
0≠B
11 22
↑J
↓J ↓J
↑J
VVáálvulalvula de de espespíínn
FM1FM1 FM2FM2NMNM
DuroDuro BlandoBlandoMaterial de grabación
Blindajemagnético
Sensor GMR
Electroimánde escritura
Sensores de lectura GMR 1997
LeyLey de de KryderKryder
Leo Esaki Brian D. Josephson
Premio Nobel de Física 1973
Ivar Giaever
EfectoEfecto ttúúnelnel en en ssóólidoslidos
Semiconductor, Metal oSuperconductor
Aislante (óxido) I
V
MOM
I
VSP-SN
eVeV
M MO
UniUnióónn ttúúnelnel magnmagnééticatica
eVeV
eVeV
FM1FM1 FM2FM2AA0=B
FM1FM1 FM2FM2AA
0≠B
AumentandoAumentando el el efectoefecto GMR: GMR: corrientescorrientes con 100% de con 100% de polarizacipolarizacióónnde de espespíínn en en semimetalessemimetales o o semiconductoressemiconductores ferromagnferromagnééticosticos
CrO2 , La2/3Sr1/3MnO3
EEFFeVeVEEFF
eVeV
MemoriaMemoria RAM RAM magnmagnééticatica
ConmutaciConmutacióónn porpor transferenciatransferencia de spinde spin
ArrastreArrastre de de paredesparedes de de loslos dominiodominio ferromagnferromagnééticosticos
LecturaLectura//escrituraescritura Bit MRAMBit MRAM
OtrosOtros dispositivosdispositivos: LED de : LED de espespíínn
hhνν~~EEgg
EEEE
SS--ppSS--nn
LED LED
Luz no Luz no polarizadapolarizada
GaAsGaAs
SS--ppSS--nn
LED de LED de espespíínn
Luz Luz polarizadapolarizadacircularmentecircularmente
GaGa11--xxMnMnxxAsAs
σσ++σ σ --
ElectrElectróónicanica versus versus espintrespintróónicanica
Válvulas de espín:Flujo de electrones con polarización de espín
Corriente eléctrica: flujo de carga
“Corriente” de espín: flujo de espín
Flujo de espínI
-I
Efecto Hall de espín
I
GaAs
Asimetría en la dispersión
M. I. D’yakonov, V. I. Perel, JETP Lett. 13, 467 (1971)
Y. K. Kato, et al. Science 306, 1910 (2004)
DetecciDeteccióónn del del efectoefecto Hall de Hall de espespíínn mediantemediante efectoefecto KerrKerr
OtrosOtros dispositivosdispositivos: QUBITS: QUBITS
QubitsQubits atatóómicosmicos::TrampasTrampas magnmagnééticasticas
en en vacvacííoo
QubitsQubits ssóólidoslidos::PuntosPuntos cucuáánticosnticos en en
semiconductoressemiconductores
VVáálvulaslvulasde de espespíínn
VVáálvulaslvulasde de espespíínn
PreparaciPreparacióónndel del estadoestado
EvoluciEvolucióónn LecturaLectura
HH
TrampasTrampas de de espespíínn