В чём же причина гигантского магнитосопротивления?

Первооткрывателями гигантского магнитосопротивления считаются два коллектива авторов [16,17]. Для ознакомления с тем, как проявляется этот феномен, рекомендуем замечательную монографию [13]. Сам термин «гигантское магнитосопротивление», на наш взгляд, крайне неудачен, потому что он означает значительное уменьшение омического сопротивления мультислойного образца из тонких сильных магнетиков при достаточно сильном постоянном магнитном поле.

Так, Baibich с соавторами [16] работали с мультислойными образцами, в которых слои железа, т.е. ферромагнетика, чередовались со слоями хрома, т.е. антиферромагнетика. Исследовалась, при температуре 4.2^оК, намагниченность образцов вдоль слоёв, наличие которой вполне допускала толщина слоёв железа в 30 Ангстрем. При нулевом внешнем поле, остаточные намагниченности слоёв железа были упорядочены так, что соседние слои железа имели противоположные намагниченности, и образец в целом проявлял свойства антиферромагнетика. По мере усиления внешнего поля, суммарная намагниченность образца увеличивалась и, при некоторой величине поля, выходила на насыщение – становясь такой, как и у сплошного железного образца. Чем больше была толщина слоёв хрома, тем слабее была антиферромагнитная сцепка (antiferromagnetic coupling) между слоями железа, и тем при более слабом поле достигалось насыщение намагниченности образца. Измерения сопротивления образца проводились при пропускании тока вдоль слоёв. Обнаружилось, что, по мере роста суммарной намагниченности образца, его сопротивление уменьшалось – с выходом на постоянную величину при достижении насыщения намагниченности. Причём, чем меньше была толщина слоёв хрома, т.е. чем большее поле требовалось для достижения насыщения намагниченности, тем большим оказывалось, в относительном исчислении, результирующее уменьшение сопротивления – по сравнению с сопротивлением при нулевом магнитном поле. На Рис.3 мы воспроизводим соответствующую диаграмму из [16].

И вот это «гигантское магнитосопротивление», т.е. уменьшение сопротивления образца при превращении его антиферромагнитной упорядоченности в ферромагнитную, авторы [16] пытались объяснить через допущение магнитного действия слоёв образца на спины электронов проводимости. При пересечении электроном антиферромагнитно-упорядоченных слоёв, спин электрона, якобы, испытывает противоположные воздействия в смежных слоях, отчего траектория электрона становится извилистой, что и затрудняет движение электрона – по сравнению со случаем ферромагнитной упорядоченности.

Приводя такое объяснение, авторы [16] позабыли о том, что ток в их образцах тёк вдоль слоёв, т.е. электроны проводимости, практически, не пересекали смежные слои. И если даже имела бы место извилистость траектории электрона при действии на его спин смежных антиферромагнитно-упорядоченных слоёв, то величина гигантского магнитосопротивления имела бы ярко выраженную анизотропию – для направлений тока вдоль и поперёк слоёв. Но сегодня хорошо известно, что такая анизотропия не наблюдается [13]. В очередной раз мы имеем дело с ситуацией, когда практический результат, удостоенный Нобелевской премии (за 2007 г.), не имеет даже элементарного объяснения в рамках традиционных подходов.

Рис.3

Между тем, этот результат находит простое и естественное объяснение на основе вышеизложенной модели намагниченности сильных магнетиков. Магнитные домены порождаются не спинами атомарных электронов, и действуют не на спины электронов проводимости, а на сами эти электроны – траектории которых искривляются благодаря силе Лорентца.Отсюда и должна проистекать большая извилистость этих траекторий в антиферромагнитно-упорядоченном образце – и, соответственно, уменьшение этой извилистости и более свободное движение электронов проводимости при превращении антиферромагнитной упорядоченности доменов в ферромагнитную.

Заключение.

Главный догмат спинтроники – про наличие у электрона собственного магнитного момента – сегодня считается триумфально подтверждённым. Ведь недавний технологический прорыв, позволивший значительно повысить плотность упаковки информации на магнитных носителях – благодаря «вертикальной записи» - этот прорыв выдают за достижение спинтроники.

Но мы постарались проиллюстрировать, что именно «вертикальная запись» битов на пикселях из ультратонких магнитных плёнок указывает на крах концепции спина электрона. Ведь на основе этой концепции до сих пор нет удовлетворительного объяснения того, почему на ультратонких магнитных плёнках только «вертикальная запись» и возможна.

Напротив, этот феномен легко и естественно объясняется моделью намагниченности как следствия движения электричества, в виде зарядовых разбалансов, по замкнутым цепочкам атомов. Ранее концепция зарядовых разбалансов уже помогла дать не только разумное объяснение различиям в электропроводности металлов [7], полупроводников [18] и диэлектриков, но и правдоподобную теорию электрического пробоя твёрдых диэлектриков [19], а также модель проводимости электрических импульсов в ВТСП-керамике, в которой свободное движение электронов отсутствует [20]. И теперь, в случае с магнитными свойствами ультратонких плёнок, концепция зарядовых разбалансов в очередной раз продемонстрировала свою эвристическую силу.

Автор благодарит Ивана, автора сайта https://ivanik3.narod.ru за любезную помощь в доступе к статьям-первоисточникам.

Ссылки.

1. А.А.Гришаев. Книга «Этот «цифровой» физический мир». М., 2010. Раздел 4, п.4.2.

2. И.Кесслер. Поляризованные электроны. М., «Мир», 1988.

3. S.F.Alvarado, R.Feder, H.Hopster, et al. Z.Phys. B – Condensed Matter, 49 (1982) 129.

4. D.Weller, S.F.Alvarado. J.Appl.Phys., 59, 8 (1986) 2908.

5. T.Maruyama, E.L.Garwin, R.Prepost, et al. Phys.Rev.Lett., 66, 18 (1991) 2376.

6. Г.К.Зырянов. Низковольтная электронография. Изд-во Ленинградского университета, Л., 1986.

7. А.А.Гришаев. Металлы: нестационарные химические связи и два механизма переноса электричества.

8. А.А.Гришаев. Зарядовые разбалансы в «нейтральных» атомах.

9. А.А.Гришаев. Температурная зависимость частоты переключений направленных валентностей у атомов металлов.

10. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. акад. И.К.Кикоина. М., «Атомиздат», 1976.

11. Физические величины. Справочник. Под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова. М., «Энергоатомиздат», 1991.

12. Р.Суху. Магнитные тонкие плёнки. М., «Мир», 1967.

13. В.М.Федосюк. Наноструктурные пленки и нанопроволоки. Минск, "Издательский центр БГУ", 2006. – Доступна на https://www.physics.by/page.php?206

14. Е.М.Артемьев, Л.В.Живаева. ЖТФ, 78, 10 (2008) 129.

15. М.В.Гомоюнова, Г.С.Гребенюк, И.И.Пронин. ЖТФ, 81, 6 (2011) 120.

16. M.N.Baibich, J.M.Broto, A.Fert, et al. Phys.Rev.Lett., 61, 21 (1988) 2472.

17. G.Binasch, P.Grunberg, F.Saurenbach, et al. Phys.Rev. B, 39, 7 (1989) 4828.

18. А.А.Гришаев. Новый взгляд на электрические и оптические явления в полупроводниках.

19. А.А.Гришаев. Новая модель электрического пробоя твёрдых диэлектриков.

20. А.А.Гришаев. Отсутствие свободного движения электронов в ВТСП-керамике.