Nobelova cena za fyziku 2007

Ladislav Havela

MFF UK Praha 2013

GMR Effect – Obří magnetorezistence

• Albert Fert (narozen 7.3.1938 v Carcassone ve Francii). Vystudoval École Normale Supérieure v Paříži. V roce 1970 získal titul PhD na Université Paris-Sud, kde působí dodnes jako profesor a ředitel pro výzkum společné laboratoře CNRS (francouzská národní výzkumná organizace) a Thales group, významné francouzské firmy zabývající se elektronikou.

Peter Grünberg (narozen 18.5.1939 v Plzni v protektorátu Čechy a Morava). Poté, co byl po válce se svými rodiči odsunut, studoval v Německu, na Univerzitě Johanna Wolfganga Goetha ve Frankfurtu a na Technice v Darmstadtu, kde získal v roce 1969 titul PhD. Největší část jeho kariéry je spojena s působením ve Výzkumném centru Jülich, kde působil až do svého penzionování v roce 2004.

Dva druhy elektronových stavů v kovech

- lokalizované, atomové – vnitřní atomové hladiny, 4f v lanthanoidech

- delokalizované, itinerantní - Blochovy funkce

Dvě formy popisu - nekompatibilní

Kde se berou magnetické momenty a jejich uspořádání....??

Dobře to chápeme např. pro jednotlivý atom....Hundovy pravidla

1. Maximalizace spinu...výměnná interakce

Elektron je záporně nabitý fermion se spinem ½ -

Ψ(1,2)= −Ψ(2,1) antisymetrická vlnová funkce

energy

N(E

) δE

EF

∆Εkin = N(EF)(δE)2

∆Εint = -U [N(EF)(δE)]

U*N(EF) > 1 spontaneous splitting…….Stoner criterion

Výměnná interakce je silná v rámci atomů – ale projevuje se i u elektronů, které mohou putovat krystalem....vede k nerovnováze obsazení stavů se spinem nahoru a dolů...vznik magnetizace např. na Fe

Kovy s magnetickým uspořádáním

Transitivní kovy s částečně zaplněnou d-slupkou

Transitivní kovy s částečně zaplněnou f-slupkou

Fermiho plyn – volné elektrony Fermiho-Diracova statistika

λπ /2;2/22 === kpmkE e

Jen malá část elektronů (v intervalu kBT okolo Fermiho meze) ovliňuje vlastnosti jako specifické teplo, susceptibilitu, elektrický odpor – a může zprostředkovat spinovou informaci mezi sousedními atomy – třeba pro lanthanoidy

Dlouhovlnné elektrony

Krátkovlnné

Magnetické pole ve tvaru δ-funkce, H*δ(r), působí na volné elektrony se spinem

Spinová odezva osciluje kvůli tomu, že

elekrony nemohou mít libovolně malé λ:

σ(r) = H*G(2kFr)

Interakce RKKY

−

=4

3 sincos2

)2)(()(x

xxxkENxG FF

π

Grünberg: Uměle připravené multivrstvy

Magnetický a nemagnetický element (např. Fe a Cr)

MBE – epitaxe z molekulárních svazků Fe Fe Cr

P. Grünberg, R. Schreiber, Y. Pang, M.B. Brodsky, H.

Sowers: Phys. Rev. Lett. 57 (1986) 2442.

Fert – elektrický odpor ovlivněn spinově závislým rozptylem

Odlišný potenciál

V(r)=Vnm(r)+2J(r)s*S

Pro s = +1/2 je V(r)=Vnm(r)-msJ(r)

Pro s = -1/2 je V(r)=Vnm(r)+msJ(r)

Pravděpodobnost rozptylu je úměrná druhé mocnině...

V 2+ms2J 2-2msJV

V 2+ms2J 2+2msJV

...model dvou proudů – se spinem nahoru a dolů, které mohou být popsány jako proudy dvěma paralelními vodiči s různými odpory

B = 0

B > Bc

M nm M nm M nm M

V

V

1/R=1/R1+1/R2

• The founding results of Albert Fert and Peter Grünberg (1988): change in the resistance of Fe/Cr superlattices at 4.2 K in external magnetic field H. The current and magnetic field were parallel to the [110] axis. The arrow to the right shows maximum resistance change. Hs is saturation field

M. N. Baibich, J. M. Broto, A. Fert, F. Nguyen Van Dau, F. Petroff, P. Eitenne, G. Creuzet, A. Friedrichs, J. Chazelas: Phys. Rev. Lett. 61 (1988) 2472.

Vlastnosti sloučenin uranu s hexagonální strukturou typu ZrNiAl

T (K)0 50 100 150 200 250

0

50

100

150

200

250

300

350ρ

(µΩ

cm

)

14 T

2 T

0 T UNiGa

i ⊥ c-axis

i // c-axis

Upturn due to the Fermi sufrace gapping

0.0

0.5

1.0

1.5

0.0

0.5

1.0

0

500

1000

µ0H (T)

Cou

nts

H // i // c-axisT = 4.2 K

ρ (a

.u.)

M (µ

B/U

-ato

m)

UNiGa

0.0 0.5 1.0 1.5

R0H

(µΩ

cm

)

-0.20.00.20.40.6 H // c-axis

V. Sechovský, L. Havela, L. Jirman, W. Ye, T. Takabatake, H. Fujii, E. Brück, F.R. de Boer, H. Nakotte: Giant Magnetoresistance Effects in UNiGa J.Appl.Phys. 70 (1991) 5794

...ale jen za nízkých teplot

Magnetický záznam

Toshiba and Seagate introduced perpendicular recording drives in the 2005-2006 time frame. Other drive vendors followed, and areal densities reached 400 gigabits per square inch by 2009 (asi 60 GBit/cm2) při rychlostech 109 bit/s. Teoretický limit 40 Tbit/cm2 v STM jen 100 bit/s rychlost

MRAM

STT-RAM

• Spin transfer torque