隧道磁阻

磁阻磁阻 (TMR) 是发生在磁隧道结 (MTJ) 中的磁阻效应，磁隧道结是由两个由薄绝缘体隔开的铁磁体组成的组件。 如果绝缘层足够薄（通常为几纳米），电子可以从一个铁磁体隧穿到另一个铁磁体中。 由于这个过程在经典物理学中是被禁止的，所以隧道磁阻是一种严格的量子力学现象。

磁性隧道结采用薄膜技术制造。 在工业规模上，薄膜沉积是通过磁控溅射沉积完成的； 在实验室规模上，还使用了分子束外延、脉冲激光沉积和电子束物理气相沉积。 结是通过光刻法制备的。

铁磁薄膜的两个磁化方向可以通过外部磁场单独切换。 如果磁化处于平行方向，则与处于相反（反平行）方向相比，电子更有可能隧道穿过绝缘膜。 因此，这种结可以在两种电阻状态之间切换，一种具有低电阻，一种具有非常高的电阻。

该效应最初于 1975 年由 Michel Jullière（法国雷恩大学）在 4.2 K 的 Fe/Ge-O/Co 结中发现。电阻的相对变化约为 14%，并没有引起太多关注。 1991 年，Terunobu Miyazaki（日本东北大学）发现室温下的变化为 2.7%。 后来，在 1994 年，Miyazaki 在由非晶氧化铝绝缘体分隔的铁连接处发现了 18%，而 Jagadeesh Moodera 在与 CoFe 和 Co 电极的连接处发现了 11.8%。此时观察到的氧化铝绝缘体的最高影响约为 70% 在室温下。

自 2000 年以来，一直在开发结晶氧化镁 (MgO) 隧道势垒。 2001年Butler和Mathon独立作出理论预测，以铁为铁磁体，MgO为绝缘体，隧道磁阻可达百分之几。 同年，Bowen 等人。 是xxx个报告显示 MgO 基磁隧道结 [Fe/MgO/FeCo(001)] 中显着 TMR 的实验。 2004 年，Parkin 和 Yuasa 能够制造出在室温下达到 200% 以上 TMR 的 Fe/MgO/Fe 结。 2008 年，日本东北大学的 S. Ikeda、H. Ohno 小组在 CoFeB/MgO/CoFeB 的结中观察到在室温下高达 604% 的效果和在 4.2 K 下超过 1xxx 的效果。

现代硬盘驱动器的读头在磁隧道结的基础上工作。 TMR，或者更具体地说是磁隧道结，也是新型非易失性存储器 MRAM 的基础。 xxx代技术依靠在每个位上创建交叉点磁场来写入数据，尽管这种方法的缩放限制在 90-130 nm 左右。 目前有两种正在开发的第二代技术：热辅助切换 (TAS) 和自旋转移力矩。

磁性隧道结也用于传感应用。 如今，它们通常用于各种汽车、工业和消费应用中的位置传感器和电流传感器。 这些更高性能的传感器由于其改进的性能正在许多应用中取代霍尔传感器。

相对电阻变化——或效应幅度——定义为

其中 R a p {displaystyle R_{mathrm {ap} }} 是反平行状态下的电阻，而 R p {displaystyle R_{mathrm {p} }} 是反平行状态下的电阻 平行状态。

Jullière 用铁磁电极的自旋极化解释了 TMR 效应。 自旋极化 P 由费米能量处的自旋相关态密度 (DOS) D {displaystyle {mathcal {D}}} 计算得出

自旋向上的电子是那些自旋方向平行于外部磁场的电子，而自旋向下的电子与外部磁场具有反平行排列。 相对电阻变化现在由两个铁磁体 P1 和 P2 的自旋极化给出

如果没有电压施加到结上，则电子以相同的速率在两个方向上隧穿。 在偏置电压 U 下，电子优先隧穿到正电极。