Новая теория объясняет колебания туннельного магнитосопротивления

(a) Схематическое изображение механизма колебаний TMR. Рассматривается суперпозиция волновых функций на границе раздела MTJ — ключевой момент этого механизма. (b) Сравнение теоретических и экспериментальных значений коэффициента TMR. Совпадение значений демонстрирует валидность предложенной теории. Автор: Кейсуке Масуда, Национальный институт материаловедения Японии

Учёные разработали новую теорию, объясняющую, почему туннельное магнитосопротивление (TMR) — явление, используемое в магнитной памяти и других технологиях — колеблется при изменении толщины изолирующего барьера в магнитном туннельном переходе (MTJ). Эти колебания были чётко зафиксированы, когда NIMS недавно зарегистрировал рекордный коэффициент TMR. Понимание механизмов этого явления может значительно помочь в дальнейшем повышении значений TMR.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review B в виде письма редакции.

Эффект TMR наблюдается в тонкоплёночных структурах, называемых магнитными туннельными переходами (MTJ). Он проявляется в изменении электрического сопротивления в зависимости от взаимной ориентации намагниченности в двух магнитных слоях (параллельной или антипараллельной), разделённых изолирующим барьером. Разработка MTJ с более высокими коэффициентами TMR крайне важна для расширения их практического применения, включая повышение чувствительности магнитных датчиков и увеличение ёмкости магнитной памяти.

Исследовательская группа NIMS недавно достигла рекордного значения TMR и также обнаружила, что коэффициент TMR колеблется при изменении толщины изолирующего барьера — явление, названное «колебаниями TMR». Это открытие указывает на то, что понимание физической природы колебаний TMR крайне важно для достижения ещё более высоких значений. Однако механизм, ответственный за эти колебания, оставался неизвестным, несмотря на более чем двадцатилетние исследования.

Команда разработала новую теорию колебаний TMR, учтя механизм, который ранее игнорировался в теоретических работах. Границы раздела между магнитными слоями и изолирующим барьером в MTJ, как считается, играют важную роль в эффекте TMR. Учёные рассмотрели суперпозицию волновых функций между состояниями со спинами большинства и меньшинства на этой границе — ключевой вклад данного исследования. Рассчитанные по этой теории значения TMR совпали с экспериментальными данными, подтвердив её валидность.

Предыдущие эксперименты по колебаниям TMR проводились на MTJ с ограниченным набором магнитных материалов (например, железом). Дальнейшие исследования с более широким спектром материалов могут углубить понимание этого явления при сопоставлении с новой теорией. Кроме того, ожидается, что предложенная теория поможет разработать методы контроля колебаний TMR и проектирования MTJ с ещё более высокими коэффициентами.

Дополнительная информация: Кейсуке Масуда и др., Theory for tunnel magnetoresistance oscillation, Physical Review B (2025). DOI: 10.1103/PhysRevB.111.L220406

Источник: National Institute for Materials Science