Spin depend electron transport: AMR, GMR Lecture 2

Magnetorezystancja Anizotropowa Magnetorezystancja AMR origin spin – orbit coupling (  1960) Gigantyczna Magnetorezystancja GMR 1986 – oscillatory interlayer exchange coupling in Fe/Cr/Fe multilayers P. Grünberg et al. Phys Rev.Lett. 57 (1986), – GMR in Fe/Cr/Fe multilayers M. N. Baibich,..., A.Fert,.. et.al. Phys Rev.Lett. 61 (1988), 2472

Ohms law for galvanomagnetic effects m = M / |M| m x = sin  cos  m y = sin  sin  m z = cos  magnetoresistivity   -  

Galvanomagnetic effects in the plane of thin film Longitudinal magnetoresistivity effect Transversal magnetoresistivity effect

Angle dependence of the longitudinal magnetoresistivity U  = R  i U  = R  i

Magnetic field dependence of the longitudinal magnetoresistivity effect (AMR) if i || H  = 

Giant Magnetoresistivity - GMR I = const ferromagnet nonferromagnet (Cu ) UpUp I = const UaUa % 1005       pp pa p pa R R R RR U UU magnetoresistance  10 nm

Thickness dependence of spacer layer

GMR is isotropic in respect to the current

Below, structure of Fe film/ Cr wedge/ Fe whisker illustrating the Cr thickness dependence of Fe-Fe exchange. Above, SEMPA image of domain pattern generated from top Fe film. (J. Unguris et al., PRL 67(1991)140.)

Spin depend conductivity M R large I M R small I

Density of states in 3-d metals GMR  due scattering into the empty quantum states above the Fermi level    D(E F ) For ferromagnetic 3d metals D  (E F )  D  (E F )      

Spin polarization of ferrmagnets Density of states Energia d s Energy d s Magnetization Energy d s Spin EFEF

Pseudo spin valve (PSV) M(H) & R(H) Two stages charactristics

Co (4nm) Cu (3nm) NiFe (6nm) Magnetic dots

Magnetic Random Access Memory (MRAM) antyferromagnetyk ferromagnetyki nieferromagnetyczna międzywarstwa ścieżka przewodząca 0 1  150 nm

Zastosowania pseudo-zaworów spinowych Nieulotne pamięci magnetyczne o dostępie swobodnym (Magnetic Random Access Memory) –matryca złożona z komórek pamięciowych: elementów PSV –bit informacji reprezentowany poprzez wzajemną orientację wektorów namagnesowania warstw ferromagnetycznych twardej i miękkiej; –zapis poprzez przemagnesowanie silniejszym prądem; –odczyt poprzez detekcję zmiany rezystancji –informacja przechowywana jest po zaniku zasilania; –szybki zapis i odczyt, mały pobór mocy; –cykle zapisujące są nieniszczące; –odporność na promieniowanie jonizujące.

Spin-Valve (SV) M(H) magnetization R(H) magnetoresistance

Spin valve (SV) – M(H) & R(H) high magnetoresistance field sensitivity

Different GMR Structures

Conclusions GMR can only be observed if at latest two ferromagnetic layers are separated by non-magnetic metal layers GMR has a maximum, if the magnetization vectors in adjacent F-layers is antiparallel CPP has a larger effect than CIP GMR is a direct image of the magnetic hysteresis GMR is much larger than AMR GMR increases with decreasing temperature GMR depends on the number of F/M interfaces For the GMR effect it is not important how the antiparallel orientation of the magnetization vectors in adjacent ferromagnetic layers is achivied (exchange bias F/AF or exchange coupling SAF)