Rezistența magnetică de tunel, magnetoresistența de tunel sau magnetoresistența (abrev. TMS , ing. Tunnel magnetoresistance , prescurtare TMR) este un efect mecanic cuantic care se manifestă atunci când curentul curge între două straturi de feromagneți separate de un strat dielectric subțire (aproximativ 1 nm ) . În acest caz, rezistența totală a dispozitivului, în care curge curentul datorită efectului de tunel , depinde de orientarea reciprocă a câmpurilor de magnetizare ale celor două straturi magnetice. Rezistența este mai mare pentru magnetizarea antiparalelă a straturilor. Efectul de reluctantă a tunelului este similar cu efectul de reluctantă gigant , dar în loc de un strat metalic nemagnetic, folosește un strat de barieră izolatoare de tunel.
Efectul a fost descoperit în 1975 de Michel Julière folosind fierul ca feromagnet și oxidul de germaniu ca dielectric ( structură Fe / GeO / Co ). Acest efect s-a manifestat la o temperatură de 4,2 K , în timp ce modificarea relativă a rezistenței a fost de aproximativ 14%, prin urmare, din cauza lipsei de aplicare practică, nu a atras atenția [1] .
La temperatura camerei, efectul a fost descoperit pentru prima dată în 1991 de Terunobu Miyazaki ( Universitatea Tohoku , Japonia ), modificarea rezistenței a fost de numai 2,7%. Mai târziu, în 1994 , Miyazaki a descoperit pentru prima dată în tranziția Fe/ Al 2 O 3 /Fe un raport de magnetorezistă de 30% la 4,2 K și 18% la 300 K [2] . Independent de el, un grup de oameni de știință condus de Jagadish Mudera a constatat un efect de 11,8% în compușii CoFe și Co [3] , în legătură cu interesul reînnoit pentru cercetarea în acest domeniu după descoperirea efectului de rezistență magnetică gigantică . Cel mai mare efect observat la acel moment cu izolatorii de oxid de aluminiu a fost de aproximativ 70% la temperatura camerei.
În 2001, grupul lui Butler și grupul lui Maton au făcut în mod independent o predicție teoretică că, folosind fierul ca feromagnet și oxidul de magneziu ca dielectric, efectul rezistenței magnetice de tunel ar putea crește cu câteva mii de procente. În același an, Bowen și colab. au fost primii care au raportat experimente care arătau magnetoresistență semnificativă de tunel într-o joncțiune tunel MgO (Fe/MgO/FeCo) [4] .
În 2004, grupul lui Perkin și grupul lui Yuas au reușit să fabrice dispozitive bazate pe Fe/MgO/Fe și să atingă o magnetorezistă de tunel de 200% la temperatura camerei [5] .
În 2007, dispozitivele TMR cu oxid de magneziu au înlocuit complet dispozitivele gigantice cu reticență pe piața de stocare magnetică .
În 2008, S. Ikeda, H. Ono și colaboratorii de la Universitatea Tohoku din Japonia au observat efectul unei schimbări relative a rezistenței de până la 604% la temperatura camerei și mai mult de 1100% la 4,2 K în compușii CoFeB/MgO/CoFeB [6] .
În fizica clasică , dacă energia unei particule este mai mică decât înălțimea barierei, atunci ea este reflectată complet de barieră. Dimpotrivă, în mecanica cuantică există o probabilitate diferită de zero de a găsi o particulă de cealaltă parte a barierei. În structura feromagnet - izolator - feromagnet pentru un electron cu energie ε F , izolatorul este o barieră cu grosimea d și înălțimea ε В > ε F .
Să luăm în considerare structura de bandă a metalelor magnetice ( Co , Fe , Ni ). Metalele de tranziție au electroni de valență 4s, 4p și 3d care diferă în ceea ce privește impulsul orbital. Stările 4s și 4p formează o bandă de conducție sp , în care electronii au o viteză mare, o densitate scăzută de stări și, în consecință, o cale liberă medie lungă , adică se poate presupune că ei sunt responsabili pentru conductivitatea metale 3d. În același timp, banda d se caracterizează printr-o densitate mare de stări și o viteză scăzută a electronilor.
După cum se știe, în metalele 3d feromagnetice, banda d este divizată din cauza interacțiunii de schimb . În conformitate cu principiul Pauli, datorită respingerii coulombiane a d electronilor, este mai favorabil din punct de vedere energetic ca aceștia să aibă spini orientați paralel, ceea ce duce la apariția unui moment magnetic spontan. Cu alte cuvinte, din cauza divizării de schimb a benzii d, numărul de stări ocupate este diferit pentru electronii cu spin în sus și în jos, ceea ce dă un moment magnetic diferit de zero.
În absența unui câmp magnetic, electronii feromagnetici au direcția opusă magnetizării (configurație anti-paralelă, AR). Banda de electroni d este împărțită de interacțiunea de schimb, așa cum se arată în figură. În acest caz, electronii cu spin up tunel de la un număr mai mare de stări la unul mai mic și invers pentru electronii cu spin opus. Impunerea unui câmp magnetic duce la o orientare paralelă (P) a magnetizării electrozilor feromagnetici. În acest caz, electronii de spin-up tunelează de la un număr mai mare de stări la mai multe stări, iar electronii de spin-down tunelează de la un număr mic de stări la unul mic. Acest lucru are ca rezultat o diferență în rezistența tunelului pentru configurațiile paralele și anti-paralele. Această modificare a rezistenței la reorientarea magnetizării într-un câmp magnetic extern este o manifestare a magnetoresistenței de tunel (TMR).
În prezent, memoria cu acces aleatoriu magnetorezistiv ( MRAM ) a fost creată pe baza efectului de tunelare a rezistenței magnetice și este folosită și în capetele de citire ale hard disk-urilor .