スピンバルブ
スピンバルブは、2つ以上の導電性磁性材料からなるデバイスであり、層内の磁化の相対的な配列に応じて電気抵抗が2つの値の間で変化します。この抵抗変化は巨大磁気抵抗効果によるものです。デバイスの磁性層は、外部磁場に応じて「上向き」または「下向き」に配列します。最も単純なケースでは、スピンバルブは2つの強磁性体の間に挟まれた非磁性材料で構成されます。一方の強磁性体は反強磁性体によって固定（ピン留め）されており、反強磁性体は磁気保磁力を高め、「ハード」層として機能します。もう一方の強磁性体は固定（ピン留め）されておらず、「ソフト」層として機能します。保磁力の差により、ソフト層はハード層よりも低い印加磁場強度で極性が変化します。適切な強度の磁場を印加すると、ソフト層の極性が反転し、2つの異なる状態、すなわち平行で低抵抗状態と反平行で高抵抗状態が生成されます。スピンバルブの発明は、IBMアルマデン研究所のスチュアート・パーキン博士[ 1 ]と彼のチームによるものです。パーキン博士は現在、ドイツのハレにある マックス・プランク微細構造物理学研究所の所長を務めています。
仕組み
スピンバルブは、電子（およびその他の粒子）のスピンと呼ばれる量子特性を利用して機能します。強磁性体では、フェルミエネルギーにおける電子の状態密度の分裂により、正味のスピン分極が存在します。そのため、強磁性体を流れる電流は、電荷とスピン成分の両方を運びます。比較すると、通常の金属はアップスピンとダウンスピンを持つ電子の数が同数であるため、平衡状態では、このような材料は正味のスピン成分がゼロの電流を維持できます。しかし、強磁性体から通常の金属に電流を流すと、スピンが移動する可能性があります。したがって、通常の金属は、十分に長いスピン拡散長を条件として、別々の強磁性体間でスピンを移動させることができます。
スピンの伝達は、強磁性体における磁気モーメントの配列に依存します。例えば、大多数のスピンが上向きスピンである強磁性体に電流を流すと、上向きスピンを持つ電子は比較的妨げられることなく通過しますが、下向きスピンを持つ電子は、強磁性体に遭遇すると「反射」するかスピン反転散乱して上向きスピンに転じ、新しい材料のエネルギー状態が空になるのを待ちます。したがって、固定層と自由層の両方が同じ方向に分極されている場合、デバイスの電気抵抗は比較的低くなりますが、印加磁場が反転し、自由層の極性も反転すると、スピン反転散乱に必要な余分なエネルギーのために、デバイスの抵抗は高くなります。
反強磁性層と非磁性層
反強磁性層は、強磁性層の1つを固定する（つまり、固定する、あるいは磁気的に硬くする）ために必要です。これは、接触している強磁性体と反強磁性体の間に 大きな負の交換結合エネルギーが存在することに起因します。
非磁性層は、2 つの強磁性層を切り離して、少なくとも 1 つの層が自由状態 (磁気的に柔らかい状態) になるようにする必要があります。
擬似スピンバルブ
疑似スピンバルブの基本的な動作原理は通常のスピンバルブと同一ですが、異なる強磁性層の磁気保磁力を、一方の層を反強磁性層で固定して変更するのではなく、2 つの層は異なる保磁力を持つ異なる強磁性体 (NiFe と Co など) で作られています。保磁力は主に材料の外的特性であるため、処理条件によって決まることに注意してください。
アプリケーション
スピンバルブは磁気センサーやハードディスクの読み取りヘッドに使用されています。[ 2 ]また、磁気ランダムアクセスメモリ（ MRAM ）にも使用されています。
参照
参考文献
- ^ APSメダル受賞物理学者スチュアート・パーキン氏がデジタル時代と「その先へ」について語る「 . aps.org . 2024年5月2日閲覧。
- ^ 「スピントロニクス材料と現象の研究」 。 2012年5月10日時点のオリジナルよりアーカイブ。2012年1月13日閲覧。
