Tunnelmagnetisk modstand, tunnelmagnetoresistens eller magnetoresistens (abbr. TMS , eng. Tunnel magnetoresistance , forkortelse TMR) er en kvantemekanisk effekt, der viser sig, når strømmen løber mellem to lag af ferromagneter adskilt af et tyndt (ca. 1 nm ) dielektrisk lag . I dette tilfælde afhænger den samlede modstand af enheden, hvor strømmen flyder på grund af tunneleffekten , af den gensidige orientering af magnetiseringsfelterne i de to magnetiske lag. Modstanden er højere for antiparallel magnetisering af lagene. Tunnelreluktanseffekten ligner den gigantiske reluktanseffekt , men i stedet for et ikke-magnetisk metallag bruger den et lag af isolerende tunnelbarriere.
Effekten blev opdaget i 1975 af Michel Julière ved at bruge jern som ferromagnet og germaniumoxid som dielektrikum ( Fe / GeO / Co -struktur ). Denne effekt manifesterede sig ved en temperatur på 4,2 K , mens den relative ændring i modstand var omkring 14 %, derfor tiltrak den sig på grund af den manglende praktiske anvendelse ikke opmærksomhed [1] .
Ved stuetemperatur blev effekten først opdaget i 1991 af Terunobu Miyazaki ( Tohoku University , Japan ), ændringen i modstand var kun 2,7%. Senere, i 1994 , opdagede Miyazaki første gang i Fe/ Al 2 O 3 /Fe-overgangen et magnetoresistensforhold på 30 % ved 4,2 K og 18 % ved 300 K [2] . Uafhængigt af ham fandt en gruppe videnskabsmænd ledet af Jagadish Mudera en effekt på 11,8 % i CoFe- og Co-forbindelser [3] , i forbindelse med den fornyede interesse for forskning på dette område efter opdagelsen af den gigantiske magnetiske modstandseffekt . Den største effekt observeret på det tidspunkt med aluminiumoxidisolatorer var omkring 70% ved stuetemperatur.
I 2001 lavede Butlers gruppe og Matons gruppe uafhængigt af hinanden en teoretisk forudsigelse om, at ved at bruge jern som en ferromagnet og magnesiumoxid som et dielektrikum, kunne effekten af tunneling af magnetisk modstand øges med flere tusinde procent. Samme år var Bowen et al. de første til at rapportere eksperimenter, der viste signifikant tunnelmagnetoresistens i en MgO (Fe/MgO/FeCo) tunnelforbindelse [4] .
I 2004 var Perkins gruppe og Yuas' gruppe i stand til at fremstille enheder baseret på Fe/MgO/Fe og opnå en tunnelmagnetoresistens på 200 % ved stuetemperatur [5] .
I 2007 erstattede magnesiumoxid-TMR-enheder fuldstændigt gigantiske modviljeanordninger på markedet for magnetisk lagring .
I 2008 observerede S. Ikeda, H. Ono et al. fra Tohoku University i Japan effekten af en relativ ændring i modstand på op til 604 % ved stuetemperatur og mere end 1100 % ved 4,2 K i CoFeB/MgO/CoFeB-forbindelser [6] .
I klassisk fysik , hvis energien af en partikel er mindre end højden af barrieren, så reflekteres den fuldstændigt fra barrieren. Tværtimod er der i kvantemekanikken en sandsynlighed fra nul for at finde en partikel på den anden side af barrieren. I strukturen ferromagnet - isolator - ferromagnet for en elektron med energi ε F , er isolatoren en barriere med tykkelse d og højde ε В > ε F .
Lad os overveje båndstrukturen af magnetiske ( Co , Fe , Ni ) metaller. Overgangsmetaller har 4s, 4p og 3d valenselektroner, der adskiller sig i orbital momentum. 4s- og 4p-tilstandene danner et sp- ledningsbånd , hvor elektroner har en høj hastighed, en lav densitet af tilstande og som følge heraf en lang middelfri vej , det vil sige, det kan antages, at de er ansvarlige for ledningsevnen af 3d metaller. Samtidig er d-båndet karakteriseret ved en høj densitet af tilstande og en lav elektronhastighed.
Som det er kendt, er d-båndet i ferromagnetiske 3d-metaller opdelt på grund af udvekslingsinteraktionen . I overensstemmelse med Pauli-princippet er det på grund af Coulomb-frastødningen af d-elektroner energetisk mere gunstigt for dem at have parallelle orienterede spin, hvilket fører til fremkomsten af et spontant magnetisk øjeblik. Med andre ord, på grund af udvekslingsopdelingen af d-båndet, er antallet af besatte tilstande forskelligt for elektroner med spin op og ned, hvilket giver et magnetisk moment, der ikke er nul.
I mangel af et magnetfelt har ferromagnetiske elektroner den modsatte magnetiseringsretning (anti-parallel konfiguration, AP). D-elektronbåndet opdeles af udvekslingsinteraktionen som vist på figuren. I dette tilfælde, elektroner med spin up tunnel fra et større antal tilstande til en mindre og omvendt for elektroner med det modsatte spin. Pålæggelsen af et magnetfelt fører til en parallel orientering (P) af magnetiseringen af de ferromagnetiske elektroder. I dette tilfælde går spin-up elektroner fra et større antal tilstande til flere tilstande, og spin-down elektroner går fra et lille antal tilstande til en lille. Dette resulterer i en forskel i tunnelmodstande for parallelle og anti-parallelle konfigurationer. Denne ændring i modstand ved reorientering af magnetisering i et eksternt magnetfelt er en manifestation af tunneling magnetoresistance (TMR).
I øjeblikket er magnetoresistive random access memory ( MRAM ) blevet oprettet baseret på effekten af tunneling af magnetisk modstand, og det bruges også i læsehovederne på harddiske .