Нобелевская премия по физике — 2007

Лауреаты Нобелевской премии по физике 2007 года: француз Альбер Фер (слева) и немец Петер Грюнберг (справа). Фото с сайтов nobelprize.org, www.wdr.de, www.cbsnews.com, www.cbc.ca
Лауреаты Нобелевской премии по физике 2007 года: француз Альбер Фер (слева) и немец Петер Грюнберг (справа). Фото с сайтов nobelprize.org, www.wdr.de, www.cbsnews.com, www.cbc.ca

Нобелевская премия по физике 2007 года была присуждена Петеру Грюнбергу (Peter Grünberg) и Альберу Феру (Albert Fert) за открытие гигантского магнетосопротивления*. Если это сложное и завораживающее название разобрать на части, то картина получается довольно простая, на первый взгляд — даже разочаровывающе простая. Однако за этой простотой стоит целая цепочка интереснейших явлений.

Гигантское магнетосопротивление — что в нем такого особенного?

Всем знакомо электрическое сопротивление — способность материалов мешать протеканию электрического тока. Если проводник с током поместить во внешнее магнитное поле, то оно слегка изменит электрический ток — так, словно бы под действием магнитного поля изменилось электрическое сопротивление материала. Это изменение называется магнетосопротивлением; открыто оно было давно, 150 лет назад, когда люди еще толком не знали, откуда вообще берется сопротивление.

Сама эта связь электрического тока и магнитного поля совершенно естественна и никого не удивляет. Ключевое слово в открытии, отмеченном Нобелем-2007, — слово «гигантский». Дело в том, что за более чем вековую историю изучения электромагнитных явлений в самых разнообразных веществах величина магнетосопротивления никогда не превышала нескольких процентов — в обычных материалах большему магнетосопротивлению неоткуда и взяться.

Лишь после того, как ученые научились создавать принципиально новые материалы, до которых природа не додумалась сама, стало ясно, что в них могут таиться физические явления, казавшиеся ранее невозможными. Наблюдение Грюнбергом и Фером гигантского магнетосопротивления в новых слоистых материалах, отмеченное Нобелевской премией-2007, стало одним из ярчайших примеров того, как человек превзошел изобретательность природы.

Электрическое сопротивление

Начать рассказ стоит с того, откуда берется обычное электрическое сопротивление металлов. Самый удивительный факт про него состоит в том, что его нельзя понять без квантовой механики.

Электрический ток в металле — это поток свободных (не связанных с конкретными атомами) электронов. Возникает он потому, что кусок металла находится под напряжением — то есть внутри него возникают электрические силы, которые и приводят электроны в движение. Сопротивление проводника возникает из-за того, что в своем движении электроны натыкаются на препятствия, постоянно сбиваясь с того курса, на который их направляют электрические силы.

Не стоит представлять себе этот процесс так, словно электроны разгоняются, стукаются об атомы, останавливаются и снова разгоняются. На самом деле электроны внутри металла движутся всегда, даже без внешнего электрического поля и даже при нулевой температуре, и причем с довольно большой скоростью. Это неустранимое движение электронного газа внутри металла возникает из-за принципа Паули — важнейшего квантового закона, запрещающего двум или более электронам занимать одинаковое квантовое состояние. В данном случае это означает, что электроны не могут иметь слишком близкие значения энергии, а значит, они не могут все остановиться. В результате электроны в металле обладают всевозможными энергиями — от нуля и до некоторой величины, которую называют энергией Ферми.

«Препятствия», на которые натыкаются электроны, — это вовсе не атомы. На самом деле, атомы для электронов проводимости вообще прозрачны — если, конечно, они расположены в виде строгой периодической решетки (это — проявление волновой природы электронов, то есть еще одно чисто квантовое явление). Натыкаются же электроны на неоднородности, нарушения строгой периодичности — например, на дефекты кристалла, на примесные атомы или просто на тепловые колебания.

Если приложить напряжение, то на быстрое беспорядочное движение электронов наложится медленное смещение под действием внешних электрических сил. Этот медленный дрейф и есть электрический ток. Тут есть важный момент: участвовать в этом движении могут далеко не все электроны, а только очень небольшая их часть — лишь те, которые обладают энергией, близкой к максимальной (то есть к энергии Ферми). Если таких электронов много, то ток течет большой, а значит, сопротивление маленькое. Если таких электронов мало, то тока получается мало, то есть материал имеет большое сопротивление.

Спин и магнетизм

У электрона есть еще одна характеристика (и тоже квантовая!), которая до сих пор не упоминалась, — спин. Как и многие квантовые характеристики, спин бывает не любой, а строго определенный. Если выбрать какое-то направление, то у электрона спин может быть ориентирован по этому направлению и против него — условно говоря, вверх и вниз.

В большинстве веществ ориентация спина никак не сказывается на электрическом токе — потому-то в электротехнике про спин электрона вообще не вспоминают. Однако для явления гигантского магнетосопротивления именно спин будет играть ключевую роль. Само это открытие, собственно, стало моментом рождения новой области электроники — спинтроники, в которой спин электрона такая же важная характеристика, как и его заряд.

Отличительной особенностью спина является его связь с магнитным полем. Спин не только заставляет частицу откликаться на магнитное поле, но и сам его порождает. В частности, магнетизм в ферромагнетиках (их в повседневной жизни называют просто магнитами) как раз получается из-за того, что спины всех ионов железа выстраиваются в одинаковом направлении. Между прочим, само по себе наличие большого спина у ионов переходных металлов целиком обязано еще одному знаменитому закону — первому правилу Хунда, которое тоже является чисто квантовым эффектом.

Рис. 1. Концентрация 3d-электронов проводимости в зависимости от энергии. Без магнитного поля концентрация электронов со спином вверх и вниз одинаковая. В присутствии магнитного поля (то есть внутри ферромагнетика) энергии электронов со спином по и против поля сдвигаются. В результате концентрация электронов вблизи энергии Ферми (EF) разная. (Изображение из статьи С. А. Никитина «Гигантское магнетосопротивление» из Соросовского образовательного журнала)
Рис. 1. Концентрация 3d-электронов проводимости в зависимости от энергии. Без магнитного поля концентрация электронов со спином вверх и вниз одинаковая. В присутствии магнитного поля (то есть внутри ферромагнетика) энергии электронов со спином по и против поля сдвигаются. В результате концентрация электронов вблизи энергии Ферми (EF) разная. (Изображение из статьи С. А. Никитина Гигантское магнитосопротивление из Соросовского образовательного журнала)

Теперь попытаемся представить, что электроны проводимости чувствуют, находясь в ферромагнетике. Магнитное поле внутри металла влияет на электроны, и причем влияет по-разному для спинов по полю и против поля. Это немного сдвигает их энергии, и в результате количество электронов вблизи энергии Ферми со спином вверх и вниз получается разное.

В результате возникает немножко необычная картина. Электрический ток в ферромагнитном металле состоит из двух разных, но тщательно перемешанных потоков — потоков электронов со спином по направлению намагниченности и против него. Эти два типа электронов испытывают со стороны металла разное сопротивление — те, которые ориентированы против поля, двигаются более свободно, чем те, которые ориентированы наоборот.

Подчеркнем, что в обычной медной проволоке такого разделения нет — эта картина специфична именно для ферромагнетиков, например для намагниченного куска железа. Она была подтверждена экспериментально не так давно, в статье 1968 года. Среди авторов этой статьи был и Альбер Фер — один из лауреатов Нобеля-2007. И хотя от той статьи и до работ по гигантскому магнетосопротивлению должно было пройти еще 20 лет, но общее понимание электрических явлений в ферромагнетиках складывалось именно тогда.

Итак, «внутренний мир» ферромагнетика оказывается очень богатым, но пока не видно способа им воспользоваться для манипуляции сопротивлением образца. Ведь если металл ферромагнитный, то он таким остается и при воздействии внешних полей, разве только у него может измениться направление намагниченности. Тут-то и пришли на помощь новые искусственные материалы, не существующие в природе — сверхрешетки. Как оказалось, именно в них можно управлять не просто величиной намагниченности, а характером магнитной упорядоченности, и уже через него — электрическим сопротивлением.

Материалы, которых никогда раньше не было

Рис. 2. Сверхрешетка — это чередующиеся слои толщиной в несколько атомов различных материалов с похожей кристаллической структурой (изображение из брошюры Нобелевского комитета, описывающей научную сторону эффекта)
Рис. 2. Сверхрешетка — это чередующиеся слои толщиной в несколько атомов различных материалов с похожей кристаллической структурой (изображение из брошюры Нобелевского комитета, описывающей научную сторону эффекта)

Сверхрешетка — это слоеный кристалл, состоящий из строго чередующихся слоев то одного, то другого материала толщиной всего в несколько атомов. Приставка «сверх» отражает здесь наличие периодической структуры еще большего размера, чем период кристаллической решетки (см. рис. 2).

Изготовление таких слоек — технологически непростая задача. Их выращивают в глубоком вакууме, напыляя на подложке слой за слоем нужное вещество. Оба типа вещества, а также сама подложка, должны обладать схожей кристаллической решеткой — иначе слойку перекорежит, а это самым негативным образом скажется на протекании через нее электрического тока. Кроме этого, надо следить, чтобы атомарные слои напылялись ровно, чтобы не было бугорков и впадин и чтобы слои разных веществ ровно накрывали друг друга, не перемешиваясь. Наконец, в нашем случае требуется еще и контролировать магнитные свойства вырастающих слоев, для чего применяется интересный эффект — рассеяние света спиновыми волнами (см. Гуревич А.Г. Спиновые волны // СОЖ, 1997. № 9, с. 100–108).

Как только ученые научились изготавливать разные слойки, они принялись экспериментировать с разными комбинациями материалов, в том числе и с чередующимися слоями ферромагнетика и немагнитного металла. В ходе этих исследований выяснилась одна интересная вещь. Если правильно подобрать материал для немагнитных слоев и его толщину, то магнитные слои приобретут «противоестественную» для ферромагнетика тенденцию чередовать ориентацию намагниченности (см. рис. 3 слева). В слойке железо–хром обнаружил это Петер Грюнберг (второй нобелевский лауреат-2007) вместе со своими сотрудниками в 1986 году. Интересно, что их статья с этими результатами цитируется даже больше, чем работа 1988 года об обнаружении гигантского магнитосопротивления.

Кстати, не стоит думать, что все такие открытия делаются автоматически. У Грюнберга был шанс «проглядеть» это замечательное свойство слоек железа–хрома. Его группа изучала также и слойки железо–золото, и вот в них ничего подобного найдено не было. Если бы исследование только ими и ограничилось, открытие эффекта, возможно, задержалось бы на некоторое время.

Рис. 3. Если слои ферромагнетика (железа, Fe) чередуются с тонкими слоями немагнитного металла (хрома, Cr) определенной толщины, то слои ферромагнетика будут чередовать направление намагниченности (слева). Однако если эту структуру поместить в достаточно сильное внешнее поле, то намагниченность всех слоев развернется в одну сторону (справа). Изображение из статьи С. А. Никитина «Гигантское магнетосопротивление» из Соросовского образовательного журнала
Рис. 3. Если слои ферромагнетика (железа, Fe) чередуются с тонкими слоями немагнитного металла (хрома, Cr) определенной толщины, то слои ферромагнетика будут чередовать направление намагниченности (слева). Однако если эту структуру поместить в достаточно сильное внешнее поле, то намагниченность всех слоев развернется в одну сторону (справа). Изображение из статьи С. А. Никитина Гигантское магнитосопротивление из Соросовского образовательного журнала

Последнее, что здесь нужно объяснить, — как такая слойка перестраивается под действием внешнего магнитного поля. Магнитное поле, как известно, способно перемагнитить «неправильно» ориентированный ферромагнетик. Поэтому если такую слойку поместить в достаточно сильное магнитное поле, то оно заставит все слои железа развернуться в одном направлении, как показано на рис. 3 справа. Если же поле убрать, то чередование слоев вновь восстановится. Так у экспериментаторов появилась возможность легко изменять тип магнитной упорядоченности.

... и наконец, гигантское магнетосопротивление

Рис. 4. Простая модель для расчета сопротивления в случае чередующегося (вверху) и одинакового (внизу) направления намагниченности слоев железа. Синяя и оранжевая стрелки показывают сопротивления, испытываемые электронами со спином вверх и вниз (адаптированное изображение из брошюры Нобелевского комитета)
Рис. 4. Простая модель для расчета сопротивления в случае чередующегося (вверху) и одинакового (внизу) направления намагниченности слоев железа. Синяя и оранжевая стрелки показывают сопротивления, испытываемые электронами со спином вверх и вниз (адаптированное изображение из брошюры Нобелевского комитета)

Когда все ключевые аспекты расписаны, остается разобраться с тем, что происходит с электрическим током, который течет сквозь такую слойку поперек слоев.

В отсутствие внешнего магнитного поля слои железа намагничены в чередующемся направлении. Двигаясь поперек слойки, электроны со спином вверх чувствуют большое сопротивление внутри слоев с магнитными полем вверх, но слабое сопротивление внутри слоев с магнитными полем вниз. Для электронов со спином вниз всё в точности наоборот. Поскольку и тех, и других слоев — одинаковое число, то оба сорта электронов оказываются в равноправной ситуации.

Если же приложить внешнее поле и выровнять намагниченность всех слоев, то электроны двух типов окажутся в разных условиях. Электроны, ориентированные по полю, везде, во всех слоях, испытывают большое сопротивление, то есть их вклад в ток уменьшится. В то же время электроны, ориентированные в противоположном направлении, испытывают везде маленькое сопротивление. Иными словами, для таких электронов слойка выглядит как короткое замыкание, и переносимый ими ток заметно возрастает. Во сколько именно раз уменьшится ток со спином по полю и увеличится ток со спином против поля — зависит от свойств вещества, но в любом случае увеличение пересилит уменьшение тока, и в результате суммарное сопротивление уменьшается.

Эту задачку нетрудно сосчитать и количественно — она будет по силам даже школьнику, умеющему «складывать сопротивления». Надо только представить себе, что два сорта электронов работают как два параллельных участка электрической цепи (несмотря на то, что текут они сквозь одну и ту же слойку!). Все наводящие соображения и обозначения показаны на рис. 4.

Первоначальные эксперименты Фера показали уменьшение сопротивления образца почти в два раза. Правда, такой результат был достигнут лишь с использованием сильных магнитных полей и при очень низкой температуре, всего 4,2 градуса выше абсолютного нуля. В экспериментах Грюнберга при комнатной температуре изменение сопротивления было гораздо скромнее, всего полтора процента — и тем удивительнее, что будущий Нобелевский лауреат разглядел в этом принципиально новый эффект. Несколько лет исследований позволили добиться уменьшение сопротивления в два раза уже при комнатной температуре и гораздо меньших магнитных полях.

Так просто и так сложно

На гигантское магнетосопротивление полезно взглянуть еще и вот с какой точки зрения. Само явление формулируется чрезвычайно просто и выглядит очень естественно: электрический ток и магнитное поле — это классическая физика XIX века. Однако реальные микроскопические причины, приводящие к такому интересному эффекту, очень непросты и многократно опираются на квантовую механику. Можно даже отметить, что в этом явлении используются все три принципиальных новшества квантовой механики по сравнению с классической физикой — волновая природа, тождественность и спин частиц.

Напрашивается также и параллель еще с одним электромагнитным явлением со схожей судьбой — эффектом Холла. Этот эффект тоже возникает при протекании тока в магнитном поле, он тоже был открыт в XIX веке, и с приходом квантовой механики в нём тоже открыт целый пласт новых эффектов. Только, в отличие от магнетосопротивления, эффект Холла привел уже к двум Нобелевским премиям по физике — за 1985-й и за 1998 год.

Впрочем, у магнетосопротивления есть реальный шанс поквитаться. На очереди стоит колоссальное магнетосопротивление — явление совсем иного уровня сложности, детальное понимание которого пока что ускользает от исследователей.

И напоследок

В объявлении Нобелевского комитета премии по физике за 2007 год очень много внимания уделяется тому, что использование эффекта гигантского магнетосопротивления привело к резкому увеличению плотности записи на жестких дисках. Связь очень простая — слойка с гигантским магнетосопротивлением явилась чрезвычайно компактным, быстрым, чувствительным и, наконец, очень простым датчиком магнитных полей. Будучи расположенной над быстро вращающейся пластиной жесткого диска, такая слойка послушно отслеживает магнитные поля пролетающих под ней битов и сразу же переводит их в электрический ток.

Однако несколько удручает то, что многочисленные СМИ, ужимая всё сообщение в одну фразу, полностью выкидывают саму суть открытия, оставляя лишь его «потребительскую» сторону. Из многочисленных заголовков следует, что премия дана за нанотехнологии или даже за уменьшение размеров жестких дисков.

На самом деле, в своих статьях об открытии явления гигантского магнетосопротивления будущие Нобелевские лауреаты писали о практических приложениях лишь в самых общих словах. Они ни в коей мере не были нацелены именно на какое-либо конкретное практическое применение — они изучали новый магнитный эффект. И премия была дана именно за научную сторону дела, а не за внедрение этого эффекта в IT-технологии.

Конечно, это не значит, что авторы вообще не догадывались о возможных применениях — ведь недаром Петер Грюнберг запатентовал технологию создания магнитных датчиков с использованием эффекта гигантского магнетосопротивления. Они прекрасно понимали, что в современном высокотехнологическом мире всякий принципиально новый материал рано или поздно найдет свое практическое применение. Именно такой же интерес движет сейчас исследователями, изучающими, скажем, метаматериалы с удивительными оптическими свойствами. Мы можем быть абсолютно уверены, что они найдут себе самые разнообразные применения, хоть сейчас и трудно предугадать, какие именно.

За открытием гигантского магнетосопротивления последовало открытие других схожих эффектов и бурное развитие всей области. Оптимизировав схему слойки, исследователи придумали «спиновый вентиль» (см. подробности в статье Эпоха гигантских эффектов) — именно он и используется сейчас в головках жестких дисков (см. объяснение и анимацию на сайте IBM).

При замене немагнитного металла изолятором появился эффект туннельного магнетосопротивления, на основе которого сейчас создают энергонезависимую магнеторезистивную память (MRAM, Magnetoresistive Random Access Memory).

Наконец, физики обратили свое внимание и на «естественно-слоистые» материалы. Именно в таком материале — манганите лантана — был в 1994 году открыт новый, гораздо более сильный эффект — колоссальное магнетосопротивление, причина которого пока не выяснена до конца, но сенсоры на основе которого уже тоже запатентованы.

Оригинальные статьи об открытии эффекта гигантского магнетосопротивления:
1) A. Fert et al. Giant Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic Superlattices // Phys. Rev. Lett. (1988). V. 61. P. 2472–2475.
2) G. Binasch, P. Grünberg, F. Saurenbach, W. Zinn. Enhanced magnetoresistance in layered magnetic structures with antiferromagnetic interlayer exchange // Phys. Rev. B (1989). V. 39. P. 4828–4830.
Обе статьи лежат в открытом доступе.

См. также: С. А. Никитин. Гигантское магнетосопротивление // Соросовский образовательный журнал. 2004. № 2, с. 92–98.

Игорь Иванов


* В научном мире более широко распространено написание магнитосопротивление (через и). Словари русского языка и энциклопедии дают написание через е.


19
Показать комментарии (19)
Свернуть комментарии (19)

  • PavelS  | 17.10.2007 | 05:06 Ответить
    Сопротивление надо мерить для тока идущего вдоль слоёв или поперёк слоёв слойки?
    Есть картинка http://www.terralab.ru/upload/630-18-5.jpg из рекомендованной вами статьи, которая у меня вызывает сомнения.
    Ответить
    • spark > PavelS | 17.10.2007 | 12:48 Ответить
      Можно ток пускать вдоль слоек, можно поперек. Принципиальной роли это не играет, поскольку длина свободного пробега электронов между столкновениями больше толщины слоев. Детали, конечно, изменятся.
      Ответить
      • PavelS > spark | 17.10.2007 | 13:06 Ответить
        Тогда я не понимаю. Весь эффект в многочисленных переходах между слоями - так что электрон то замедляется, то разгоняется. Если пустить вдоль слоёв, то тогда толщина слоя большой роли играть не должна, каждый электрон с каждым спином будет бежать в своём слое; слои будут работать параллельно а не последовательно и я не понимаю откуда будет эффект. В этом плане ИМХО эффект вдоль слоёв должен всегда быть низким - т.е. так по крайней мере было бы ожидаемо.
        Ответить
        • spark > PavelS | 17.10.2007 | 15:20 Ответить
          Вы вспомните (в тексте описано!), что электрон не движется в направлении тока. Он движется как попало в самых разных направлениях, только медленно (миллионы раз медленнее!) смещается по току (а точнее, против тока :)). И т.к. длина свободного пробега больше толщины слоев, то даже если ток вдоль слоев, то электрон все равно не локализован в каком-то слое, а легко скачет между слоями.
          Ответить
          • SS > spark | 17.10.2007 | 20:54 Ответить
            Tak zna4it ob'asnenie iz u4ebnika fiziki, 4to tok "te4et" tolko po poverhnosti provodnika, ne sovsem verno? A kak ze oput, gde tok izmerialsia na mednoy provoloke, u na stal'noy, no pokrytoy tonkoim sloem medi, i resistance bylo odinakovoe?
            Ответить
            • spark > SS | 17.10.2007 | 21:52 Ответить
              Если Вы про постоянный ток, то он течет в толще (в этом легко убедиться, сравнивая сопротивление кусков проволки разной толщины). Если про переменный, то из-за скин-эффекта он может течь и в основном по поверхности.
              Ответить
              • VEN > spark | 17.10.2007 | 23:17 Ответить
                Ответить
            • VEN > SS | 19.10.2007 | 10:17 Ответить
              > Tak zna4it ob'asnenie iz u4ebnika fiziki, 4to tok "te4et" tolko po poverhnosti provodnika, ne sovsem verno?

              А как быть с сопротивлением в случае пустотелых трубок? :-)
              Если бы вы были правы, то сопротивление такой трубки и полнотелого проводника того же диаметра были бы одинаковыми.

              Вообще-то в школе учили, что по поверхности проводника распространяется эл-магн. поле (со скоростью света), которое и заставляет течь по проводнику ток. А сам ток течет по ВСЕМУ сечению проводника. :-)
              Ответить
          • PavelS > spark | 19.10.2007 | 05:42 Ответить
            А что, если вообще поместить изолятор между слоями - сопротивление сильно упадёт? Я конечно помню про то, что графит именно на это похож - но мне казалось что у графита как раз сопротивление очень сильно зависит от направления. Где-то проскальзывало что различие в 500 раз (не знаю, не утка ли).
            Ответить
            • spark > PavelS | 19.10.2007 | 12:45 Ответить
              Такие слойки ферромагнетик-изолятор делают и там действительно эффект сильнее. Он там называется туннельный магниторезистивный эффект. У меня в конце там есть одна ссылка.

              Ну, графит к этому не относится, но анизотропия у него действительно может быть сильная.
              Ответить
    • VEN > PavelS | 18.10.2007 | 00:00 Ответить
      > Есть картинка http://www.terralab.ru/upload/630-18-5.jpg из рекомендованной вами статьи, которая у меня вызывает сомнения.

      В сам деле, странная какая-то картинка.

      В приведенной Игорем условной схемке http://elementy.ru/images/news/nobel_fig4_300.gif , в этом случае средний медный слой следует изобразить третьей параллельной веткой с очень низким неизменным сопротивлением. А как известно, общее сопротивление такой эл.схемы будет "меньше меньшего сопротивления любой из веток".
      Т.е. медный слой будет попросту создавать никому не нужное "короткое замыкание"...

      Пропускание тока поперек слоев однозначно более рационально. :-)
      Ответить
  • PavelS  | 17.10.2007 | 05:21 Ответить
    Объяснение, представленное на рисунке http://elementy.ru/images/news/nobel_fig4_300.gif несколько прямолинейно - но нельзя ли объяснить ещё проще: электроны рассеиваются на неоднородном магнитном поле? Устраняя неоднородность, сопротивление снижается.
    Тут, кстати, интересны электромагнитные свойства случайного магнита из недавней вашей новости.
    Ответить
    • spark > PavelS | 17.10.2007 | 12:49 Ответить
      Нет, нельзя, потому что это неправильно. Электроны по полю, например, в "более однородном" поле рассеиваться сильнее.
      Про беспорядочный магнит -- это интересно, я не думал про него. Может быть, кто-то уже этим занимается. :)
      Ответить
    • lesnik > PavelS | 18.10.2007 | 21:25 Ответить
      Да, я думаю, что отчасти этот эффект объязан и этому процессу. Если не рассматривать обычное рассеяние электронов проводимости, то в немагнитном слое электроны спин-вверх и спин-вниз -- плоские волны с одинаковой энергией. Когда они входят в область магнитного поля, направленного вверх, у электронов спин-вниз потенциальная энергия уменьшается, а кинетическая увеличивается, для электронов спин-вниз всё наоборот (надо помнить, что минимуму потенциальной энергии электрона соответствует магнитный момент сонаправленный с магнитным полем, и гиромагнитное соотношение у электрона - отрицательное). В предельным случае очень большого магнитного поля спин-вниз вообще не может проникать классически в область поля (кинетическая энергия становится отрицательной). Это подобно (он и есть) отражению волны от потенциального барьера.

      Или если хочется туда лететь, надо перевернуть спин при столкновении с фононом (например, за счёт спин-орбитального взаимодействия), при этом фонону передаётся часть энергии, которая становится теплом, а выделение тепла есть проявление активного сопротивления. Или другими словами, супротивные электроны сталкиваются чаще (у них есть на это энергия) с переворотом спина, а проводимость пропорциональна времени свободного пробега, поэтому из-за них проводимость становится меньше.

      Если честно, не очень понял картинку, где квадратичный закон дисперсии превратился в полуокружность и как это объясняет сам эффект. Надо подумать.
      Ответить
      • spark > lesnik | 18.10.2007 | 23:42 Ответить
        > Если честно, не очень понял картинку, где квадратичный закон дисперсии превратился в полуокружность и как это объясняет сам эффект.

        Вот с этого, собственно, и начинается физика конденсированных сред :)
        Всё, что Вы описали до этого, есть приближение свободных электронов. В металле или в ином конденсированном состоянии всё совершенно по-другому. Там появляются разрешенные и запрещенные зоны, и в них закон дисперсии сильно отличается от свободного случая. Только в этом графике полукруги -- это не закон дисперсии, а плотность электронных состояний как функция энергии.
        Ответить
        • PavelS > spark | 19.10.2007 | 05:47 Ответить
          Вы хотите сказать, что для одного спина электрон с энергией Ферми может быть электроном в зоне проводимости (сплошная зона), а с другим попасть в запрещенную зону и стать "полупроводниковым"?

          Тогда ИМХО наиболее интересно эффект должен наблюдаться у переходных металлов, типа германия, которые толи металл, толи полупроводник.
          Ответить
          • spark > PavelS | 19.10.2007 | 12:33 Ответить
            Я этого не хотел сказать, но так действительно может произойти. Т.е. сдвиг зон будет такой сильный, что зона проводимости электронов со спином по полю опустится ниже энергии Ферми. В результате для электронов по полю это будет изолятор, а для электронов против поля -- металл. Т.е. электрический ток будет 100% спин поляризован.

            Такое вещество называется по-английски half-metal. Русского термина я не знаю, но это не надо путать с полуметаллом (semimetal) -- там совсем другой эфект.
            Ответить
        • lesnik > spark | 19.10.2007 | 23:00 Ответить
          Да, согласен а Вами. Плотность электронных состояний, когда уровень Ферми становится выше середины зоны, равна числу дырок. А их количество к потолу зоны уменьшается. Отсюда понятна и форма кривой.

          Всё же в статье об основах эффекта на нобелевском сайте говорится, что и рассеяние на переходе от ферромагнетика к металлу имеет место. Удивительным оказалось то, что магнитные моменты, направленные вдоль намагниченности, имеют большее сопротивление при прохождении через ферромагнетик. Это происходит из-за того, что d-зона - также проводящая, уровень Ферми лежит у её потолка и проводимость через неё больше, чем через s-зону. Насколько я понимаю, если бы проводила только s-зона соотношение сопротивлений для спина-вниз и спина-вверх был бы обратным и более интуитивно понятным. Забавно.
          Ответить
  • VEN  | 18.10.2007 | 00:07 Ответить
    В целом статья мне понравилась.

    Вот только почему-то совсем не сказано, как выглядит намагниченность слоев, если смотреть на них не на срез, а сверху. Ведь вариантов можно предположить много.
    Это может быть и монотонное распределение намагниченности в каждом слое, а может и в виде какого-нибудь "рисунка". Для описанного эффекта это конечно без разницы, но возникает чувство "неполноты" представления... :-(
    Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»