Az alagút mágneses ellenállása, alagút mágneses ellenállása vagy mágneses ellenállása (rövidítve TMS , eng. Tunnel magnetoresistance , röv. TMR) egy kvantummechanikai hatás, amely akkor jelentkezik, amikor az áram két vékony (körülbelül 1 nm -es) dielektromos réteggel elválasztott ferromágnesréteg között folyik . Ebben az esetben annak az eszköznek a teljes ellenállása , amelyben az alagúthatás miatt az áram folyik, a két mágneses réteg mágneses mezőinek kölcsönös orientációjától függ . Az ellenállás nagyobb a rétegek antiparallel mágnesezésekor. Az alagút reluktancia effektus hasonló az óriás reluktancia effektushoz , de nem mágneses fémréteg helyett szigetelő alagút akadályt használ.
A hatást Michel Julière fedezte fel 1975-ben, vasat használva ferromágnesként és germánium-oxidot dielektrikumként ( Fe / GeO / Co szerkezet ). Ez a hatás 4,2 K hőmérsékleten nyilvánult meg , miközben az ellenállás relatív változása 14% körüli volt, ezért gyakorlati alkalmazás hiányában nem hívta fel magára a figyelmet [1] .
Szobahőmérsékleten a hatást először Terunobu Miyazaki ( Tohoku Egyetem , Japán ) fedezte fel 1991 -ben , az ellenállás változása mindössze 2,7% volt. Később, 1994 -ben Miyazaki először fedezte fel a Fe/ Al 2 O 3 /Fe átmenetben a 4,2 K-on 30%-os, 300 K-en pedig 18%-os mágneses ellenállási arányt [2] . Tőle függetlenül Jagadish Mudera vezette tudóscsoport 11,8%-os hatást talált a CoFe-ben és Co-vegyületekben [3] , összefüggésben azzal , hogy az óriási mágneses ellenállási hatás felfedezése után megújult az érdeklődés ezen a területen . Az alumínium-oxid szigetelőkkel akkoriban megfigyelt legnagyobb hatás körülbelül 70% volt szobahőmérsékleten.
2001 -ben Butler és Maton csoportja egymástól függetlenül olyan elméleti jóslatot fogalmazott meg, amely szerint a vas ferromágnesként és magnézium-oxid dielektrikumként való felhasználásával az alagút mágneses ellenállás hatása több ezer százalékkal megnőhet. Ugyanebben az évben Bowen és munkatársai elsőként számoltak be kísérletekről, amelyek jelentős alagút mágneses ellenállást mutattak MgO (Fe/MgO/FeCo) alagútcsatlakozásban [4] .
2004 -ben Perkin és Yuas csoportja Fe/MgO/Fe alapú eszközöket tudott gyártani, és szobahőmérsékleten 200%-os alagút mágneses ellenállást érte el [5] .
2007-ben a magnézium-oxid TMR készülékek teljesen felváltották az óriási reluktancia eszközöket a mágneses tárolók piacán .
2008- ban S. Ikeda, H. Ono és munkatársai, a japán Tohoku Egyetem munkatársai megfigyelték a CoFeB/MgO/CoFeB vegyületek relatív rezisztenciaváltozásának hatását, amely szobahőmérsékleten akár 604%-os, 4,2 K hőmérsékleten pedig több mint 1100%-os volt. [6] .
A klasszikus fizikában , ha egy részecske energiája kisebb, mint a gát magassága, akkor az teljesen visszaverődik a gátról. Éppen ellenkezőleg, a kvantummechanikában nem nulla a valószínűsége annak, hogy részecskét találunk a gát másik oldalán. A ferromágnes - szigetelő - ferromágnes szerkezetben egy ε F energiájú elektronhoz a szigetelő egy d vastagságú és ε В > ε F magasságú gát .
Tekintsük a mágneses ( Co , Fe , Ni ) fémek sávszerkezetét . Az átmeneti fémek 4s, 4p és 3d vegyértékelektronokkal rendelkeznek, amelyek keringési impulzusban különböznek egymástól. A 4s és 4p állapotok egy sp - vezetési sávot alkotnak , amelyben az elektronok nagy sebességgel, alacsony állapotsűrűséggel és ebből következően hosszú átlagos szabad úttal rendelkeznek, vagyis feltételezhető, hogy felelősek az elektronok vezetőképességéért. 3D fémek. Ugyanakkor a d sávot nagy állapotsűrűség és alacsony elektronsebesség jellemzi.
Mint ismeretes, a ferromágneses 3d fémekben a d-sáv felhasad a cserekölcsönhatás miatt . A Pauli-elvnek megfelelően a d elektronok Coulomb taszítása miatt energetikailag kedvezőbb a párhuzamos orientált spinek, ami spontán mágneses momentum megjelenéséhez vezet. Más szóval, a d sáv cserehasadása miatt a foglalt állapotok száma eltérő a fel-le spinekkel rendelkező elektronoknál, ami nullától eltérő mágneses momentumot ad.
Mágneses tér hiányában a ferromágneses elektronok mágnesezési iránya ellentétes (anti-párhuzamos konfiguráció, AP). A d-elektron sávot a cserekölcsönhatás osztja fel, ahogy az ábrán látható. Ebben az esetben a felpörgő elektronok nagyobb számú állapotból egy kisebbbe alagútba vezetnek, az ellenkező spinű elektronok esetében pedig fordítva. A mágneses mező alkalmazása a ferromágneses elektródák mágnesezettségének párhuzamos orientációjához (P) vezet. Ebben az esetben a felpörgő elektronok nagyobb számú állapotból több állapotba, a spin-le elektronok pedig kis számú állapotból egy kicsibe alagútba vezetnek. Ez különbséget eredményez az alagút ellenállásában a párhuzamos és az antipárhuzamos konfigurációkban. Az ellenállás változása a mágnesezettség külső mágneses térben történő átirányításakor az alagút mágneses ellenállás (TMR) megnyilvánulása.
Jelenleg a magnetorezisztív véletlen hozzáférésű memóriát ( MRAM ) hozták létre az alagút mágneses ellenállás hatására, és a merevlemezek olvasófejeiben is használják .