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