Магнетосопротивление (магниторезистивный эффект) – изменение электрического сопротивления материала в магнитном поле. Впервые эффект был обнаружен в 1856 Уильямом Томсоном. В общем случае можно говорить о любом изменении тока через образец при том же приложенном напряжении и изменении магнитного поля. Все вещества в той или иной мере обладают магнетосопротивлением. Для сверхпроводников, способных без сопротивления проводить электрический ток, существует критическое магнитное поле, которое разрушает этот эффект и вещество переходит в нормальное состояние, в котором наблюдается сопротивление. В нормальных металлах эффект магнетосопротивления выражен слабее. В полупроводниках относительное изменение сопротивления может быть в 100-10 000 раз больше, чем в металлах, и может достигать сотен тысяч процентов.
Магнетосопротивление вещества зависит и от ориентации образца относительно магнитного поля. Это связано с тем, что магнитное поле не изменяет проекцию скорости частиц на направление магнитного поля, но благодаря силе Лоренца закручивает траектории в плоскости перпендикулярной магнитному полю. Это объясняет почему поперечное поле действует сильнее продольного.
Качественно понять это явление можно если рассмотреть траектории положительно заряженных частиц (например, дырок) в магнитном поле. Пусть через образец проходит ток j вдоль оси x. Частицы обладают тепловой скоростью или если дырочный газ вырожден, то средняя скорость частиц равна фермиевской скорости (скорости частиц на уровне Ферми), которые должны быть много больше скорости их направленного движения (дрейфа). Без магнитного поля носители заряда движутся прямолинейно между двумя столкновениями.
Во внешнем магнитном поле B (перпендикулярного току) траектория будет представлять собой в неограниченном образце участок циклоиды длиной l (длина свободного пробега), и за время свободного пробега (время между двумя столкновениями) вдоль поля E частица пройдет путь меньший, чем l, а именно

Поскольку за время свободного пробега t частица проходит меньший путь вдоль поля E, то это равносильно уменьшению дрейфовой скорости, или подвижности, а тем самым и проводимости дырочного газа, то есть сопротивление должно возрастать. Разницу между сопротивлением при конечном магнитном поле и сопротивлением в отсутствие магнитного поля принято называть магнетосопротивлением.
Также удобно рассматривать не изменение полного сопротивления, а локальную характеристику проводника – удельное сопротивление в магнитном поле ρ(B) и без магнитного поля ρ(0). При учете статистического разброса времен (и длин) свободного пробега, получим

где μ – подвижность заряженных частиц, а магнитное поле предполагается малым μВ<<1.

В соответствии с квантово-механическим представлением магнетосопротивление обуславливается спин-спиновым и спин-орбитальным взаимодействием посредством обменной связи между электронами. Относительное магнетосопротивление для некоторых ферромагнитных материалов составляет не более 6%. Как показали результаты исследований последних десятилетий, для многих материалов с многослойной и гранулированной структурами относительное магнетосопротивление достигает десятков процентов. В этой связи магнетосопротивление таких материалов часто называют гигантским, а сам эффект – гигантским магниторезистивным эффектом.
Гигантский магниторезистивный эффект впервые был обнаружен в 1988 г. В многослойном материале, состоящем из чередующихся тонких слоев железа и хрома, т.е. в многослойных пленках Fe/Cr. Относительное магнетосопротивление этого материала составило примерно 50%.

Для нормального магнетосопротивления оказывается справедливым основное одно основное правило. Для данного металла изменение сопротивления Δρ в магнитном поле H можно представить в виде

Где ρ₀- сопротивление в нулевом поле, а F – функция, определяемая только геометрией опыта и природой металла.Результаты измерений, приведенных при самых разных температурах, когда значения ρ₀ были совершенно различными, укладываются на одну и ту же кривую. Эту закономерность обнаружил Колер.

Магнетосопротивление не является скалярной величиной; оно зависит от относительной ориентации магнитного поля и тока. В экспериментах с поликристаллических образцами обычно рассматривают магнетосопротивление только при двух конфигурациях: поперечной, когда векторы H и J перпендикулярны, и продольной, когда магнитное поле параллельно току в проводнике. Оказывается, что оба эти эффекта для металлов ( где был изучен продольный эффект) одного порядка, хотя поперечный эффект обычно больше продольного.

В случае свободных электронов поперечное магнитосопротивление исчезает, а продольное равно:

Используя более сложную, двухзонную теорию можно показать что:

Где σ₁ и σ₂ проводимости, соответствующие двум зонам. , t – время релаксации m – эффективная масса.

 

 

 

 

 

Магниторезистивные преобразователи открывают широкие возможности для модернизации не только накопителей информации на подвижном носителе и запоминающих устройств с произвольной выборкой, но и многих приборов и устройств, содержащих высокочуствительные элементы, к основным из которых относятся:
- дефектоскопы для неразрушающего контроля и обнаружения скрытых дефектов в изделиях и деталях из ферромагнитных и немагнитных (обшивка самолетов, судов, ракет; трубы и стенки автоклавов, емкостей для хранения химически агрессивных жидкостей и т.п.);
- устройства для контроля упругого состояния металла различных конструкций сложной техники атомной энергетики, ракето- и самолетостроения, магистрального транспорта и т.п.;
- устройства для измерения частоты вращения ротора двигателей различного назначения и определения их фазового положения;
- устройства для безконтактного измерения токов и диагностики плат печатного монтажа;
- прецизионные измерители линейных перемещений многоцелевого назначения;
Магниторезистивные преобразователи, прежде всего, широко применяются для воспроизведения информации в магнитных накопителях. Сигнал воспроизведения магниторезистивных головок не зависит от скорости движения носителя. Магниторезистивные головки позволяют реализовать довольно высокую разрешающую способность и достигать сравнительно высокого уровня сигнала воспроизведения. Эти качества, несомненно важны для создания новых модификаций высокоплотных накопителей информации большой емкости.
Промышленное производство магниторезистивных преобразователей достигло громадных масштабов: в конце 90-х годов XX в. Ежегодно производилось около миллиарда магниторезистивных преобразователей для воспроизведения информации.
 

Если рассмотреть прямоугольный образец (длиной L и шириной d) с двумерным электронным газом (магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости образца), то в образце наблюдается магнитосопротивление связанное с перераспределением токов в магнитном поле: