सुरंग चुंबकीय- प्रतिरोध

टनल (सुरंग) चुम्बकीय प्रतिरोध (सुरंग) है जो चुंबकीय टनल जंक्शन (एमटीजे) में होता है, जो एक घटक है जिसमें दो लौह होते हैं जो एक पतले अवरोध (विद्युत्) द्वारा अलग किए जाते हैं। यदि विद्युत् रोधी परत बहुत पतली है (सामान्यतौर पर कुछ नैनोमीटर), इलेक्ट्रॉन एक लौह चुंबकीय से दूसरे में क्वांटम टनलिंग (सुरंगन) कर सकते हैं। चूंकि प्राचीन भौतिकी में इस प्रक्रिया को प्रतिबंधित किया गया है, टनल चुंबकीय प्रतिरोध पूरी तरह से क्वांटम यांत्रिकी घटना है।

चुंबकीय सुरंग जंक्शन पतली परत प्रौद्योगिकी में निर्मित होते हैं। औद्योगिक स्तर पर परत का निक्षेपण मैग्नेट्रॉन कण क्षेपण द्वारा किया जाता है; प्रयोगशाला स्तर पर आणविक किरण पुंज अधिरोहण, स्पंदित लेजर निक्षेपण और इलेक्ट्रॉन बीम भौतिक वाष्प जमाव का भी उपयोग किया जाता है। सुरंग फोटोलिथोग्राफी द्वारा तैयार किए जाते हैं।

घटनात्मक विवरण
लौह चुंबकीय परत के दो चुंबकत्व की दिशा को बाहरी चुंबकीय क्षेत्र द्वारा व्यक्तिगत रूप से बदला जा सकता है। यदि चुंबकीयकरण समानांतर अभिविन्यास में हैं, तो यह अत्यधिक संभावना है कि इलेक्ट्रॉन रोधी आवरण के माध्यम से सुरंग करेंगे, यदि वे विपक्षी (प्रतिसमान्तर) अभिविन्यास में हैं। परिणामस्वरूप, इस प्रकार के संबंध को विद्युत प्रतिरोध के दो क्षेत्रों के बिच बदला जा सकता है, एक कम और एक बहुत उच्च प्रतिरोध वाला में किया जाता है।

इतिहास
मूल रूप से प्रभाव की खोज 1975 में मिशेल जूलियरे (रेन्नेस विश्वविद्यालय, फ्रांस) द्वारा 4.2 K पर लोहे/जर्मेनियम-ऑक्सीजन/कोबाल्ट-संबंध में की गई थी। प्रतिरोध का सापेक्षिक परिवर्तन लगभग 14% था, और इसने अत्यधिक ध्यान आकर्षित नहीं किया है। 1991 में टेरुनोबु मियाज़ाकी (तोहोकू विश्वविद्यालय, जापान) ने कमरे के तापमान पर 2.7% का परिवर्तन पाया था। बाद में, 1994 में, मियाज़ाकी ने अनाकार एल्यूमीनियम ऑक्साइड अवरोधक द्वारा अलग किए गए लोहे के संबंधों में 18% पाया था। और जगदीश मोदरा ने CoFe और Co के इलेक्ट्रोड के संबंधों में 11.8% पाया था। एल्यूमीनियम ऑक्साइड अवरोधक के साथ इस समय देखा गया उच्चतम प्रभाव कमरे के तापमान पर लगभग 70% था।

वर्ष 2000 से, क्रिस्टलीय मैग्नीशियम ऑक्साइड (MgO) के सुरंग बाधा का विकास किया जा रहा है। 2001 में बटलर और मैथन ने स्वतंत्र रूप से सैद्धांतिक के बारे में बताया था कि लोहे को लौह चुंबकत्व और एम जी ओ को रोधक के रूप में उपयोग करके, सुरंग चुंबकीय प्रतिरोध कई हजार प्रतिशत तक पहुंच सकता है। उसी वर्ष, बोवेन एट अल. एक MgO आधारित चुंबकीय सुरंग संबंध [Fe/MgO/FeCo(001)] में एक महत्वपूर्ण टीएमआर दिखाने वाले प्रयोगों की सूचित करने वाले पहले व्यक्ति थे। 2004 में, पार्किन और युसा Fe/MgO/Fe संबंध बनाने में सक्षम थे जो कमरे के तापमान पर 200% से अत्यधिक टीएमआर तक पहुँचते हैं। 2008 में, कमरे के तापमान पर 604% तक और 4.2 K पर 1100% से अत्यधिक प्रभाव जापान में तोहोकू विश्वविद्यालय के एस. इकेदा, एच. ओहनो समूह द्वारा CoFeB/MgO/CoFeB के संबंधों में देखे गए थे।

अनुप्रयोग
डिस्क रीड-एंड-राइट हेड. आधुनिक हार्ड डिस्क ड्राइव के रीड-हेड चुंबकीय सुरंग संबंध के आधार पर कार्य करते हैं। टीएमआर, या अत्यधिक विशेष रूप से चुंबकीय सुरंग संबंध, एमआरएएम का आधार भी है, जो नए प्रकार की अवाष्पशील मेमोरी है। पहली पीढ़ी की प्रौद्योगिकियां उस पर डेटा लिखने के लिए प्रत्येक बिट पर अनुप्रस्थ-बिंदु चुंबकीय क्षेत्र बनाने पर निर्भर थीं, चूँकि इस दृष्टिकोण की माप सीमा लगभग 90-130 एनएम है। दूसरी पीढ़ी की दो तकनीकें वर्तमान में विकसित की जा रही हैं: सहायक उष्मीय परिवर्तन (टीएएस) और प्रचक्रण-स्थानांतरण टॉर्क है।

संवेदन अनुप्रयोगों के लिए चुंबकीय सुरंग संबंध का भी उपयोग किया जाता है। आज वे सामान्यतौर पर विभिन्न स्वचालित, औद्योगिक और उपभोक्ता अनुप्रयोगों में स्थिति सेंसर और वर्तमान सेंसर के लिए उपयोग किए जाते हैं। ये उच्च प्रदर्शन सेंसर अपने अच्छे प्रदर्शन के कारण कई अनुप्रयोगों में हॉल इफेक्ट सेंसर की स्थान ले रहे हैं।

भौतिक व्याख्या
सापेक्ष प्रतिरोध परिवर्तन-या प्रभाव आयाम-के रूप में परिभाषित किया गया है


 * $$\mathrm{TMR} := \frac{R_{\mathrm{ap}}-R_{\mathrm{p}}}{R_{\mathrm{p}}}$$
 * जहाँ $$R_\mathrm{ap}$$ समानांतर समनान्तर में विद्युत प्रतिरोध है, जबकि $$R_\mathrm{p}$$ समानांतर अवस्था में प्रतिरोध है।

टीएमआर प्रभाव को जूलीयर द्वारा लौह चुंबकीय इलेक्ट्रोड के प्रचक्रण ध्रुवीकरण के साथ समझाया गया था। प्रचक्रण ध्रुवीकरण P की गणना स्पिन (भौतिकी) क्षेत्रों के आश्रित घनत्व (डीओएस) से की जाती है $$\mathcal{D}$$ फर्मी ऊर्जा पर:

$$P = \frac{\mathcal{D}_\uparrow(E_\mathrm{F}) - \mathcal{D}_\downarrow(E_\mathrm{F})}{\mathcal{D}_\uparrow(E_\mathrm{F}) + \mathcal{D}_\downarrow(E_\mathrm{F})}$$ अधोचक्रण इलेक्ट्रॉन बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के समानांतर चक्रण अभिविन्यास वाले होते हैं, जबकि अभिचक्रण इलेक्ट्रॉनों में बाहरी क्षेत्र के साथ समानांतर-विरोधी संरेखण होता है। सापेक्ष प्रतिरोध परिवर्तन अब दो लौह चुंबकत्व, p1 और p2 के चक्रण ध्रुवीकरण द्वारा दिया गया है:

$$\mathrm{TMR} = \frac{2 P_1 P_2}{1 - P_1 P_2}$$ यदि संबंध पर कोई वोल्टेज निरूपित नहीं किया जाता है, तो इलेक्ट्रॉनों को समान दरों के साथ दोनों दिशाओं में सुरंग होती है। पूर्वाग्रह वोल्टेज U के साथ, इलेक्ट्रॉन धनात्मक इलेक्ट्रोड के लिए अधिमानतः सुरंग बनाते हैं। इस धारणा के साथ कि सुरंग के दौरान चक्रण संरक्षण नियम (भौतिकी) है, वर्तमान को दो-वर्तमान मॉडल में वर्णित किया जा सकता है। कुल वर्तमान दो आंशिक धाराओं में विभाजित है, अधोचक्रण इलेक्ट्रॉनों के लिए और दूसरा अभिचक्रण इलेक्ट्रॉनों के लिए ये संबंधों की चुंबकीय स्थिति के आधार पर भिन्न होते हैं।

परिभाषित समानांतर-विरोधी स्थिति प्राप्त करने की दो संभावनाएँ हैं। सबसे पहले, अलग-अलग निग्रहिता (विभिन्न सामग्रियों या अलग-अलग फिल्म मोटाई का उपयोग करके) के साथ लौह चुंबकत्व का उपयोग किया जा सकता है। और दूसरा, लौह चुंबकत्व में से एक को प्रतिलौहचुंबकीय (विनिमय पूर्वाग्रह) के साथ जोड़ा जा सकता है। इस कथन में बिना जोड़े गए इलेक्ट्रोड का चुंबकीयकरण मुक्त रहता है।

टीएमआर अनंत हो जाता है अगर p1और p2 बराबर है 1 के, अर्थात यदि दोनों इलेक्ट्रोड में 100% प्रचक्रण ध्रुवीकरण है। इस कथन में चुंबकीय सुरंग के संबंध एक  परिवर्तित कर दिया जाता है, जो चुंबकीय रूप से कम प्रतिरोध और अनंत प्रतिरोध के बीच परिवर्तित करता है। इसके लिए विचार में आने वाली सामग्रियों को लौह चुंबकीय अर्ध-धातु कहा जाता है। उनके चालन इलेक्ट्रॉन पूरी तरह से प्रचक्रण-ध्रुवीकृत हैं। इस गुण की सैद्धांतिक रूप से कई सामग्रियों के बारे में बताई जाती है (उदाहरण के लिए CrO2, विभिन्न हेस्लर मिश्र) परन्तु इसकी प्रायोगिक पुष्टि छोटी बात का विषय रही है। फिर भी, यदि कोई केवल उन इलेक्ट्रॉनों पर विचार करता है जो परिवहन में प्रवेश करते हैं, बोवेन एट अल द्वारा माप. 99.6% तक ला के बीच अंतरापृष्ठ में प्रचक्रण ध्रुवीकरण La0.7Sr0.3MnO3 और SrTiO3 व्यावहारिक रूप से इस गुण के प्रायोगिक प्रमाण के बराबर है।

टीएमआर बढ़ते तापमान और बढ़ते बायस वोल्टेज दोनों के साथ घटता है। दोनों को मैग्नॉन उत्तेजनाओं और मैग्नॉन के साथ परस्पर क्रिया के साथ-साथ ऑक्सीजन रिक्तियों से प्रेरित स्थानीयकृत क्षेत्रों के संबंध में सुरंग के कारण सिद्धांत रूप में समझा जा सकता है (इसके बाद समरूपता फ़िल्टरिंग अनुभाग देखें)।

सुरंग बाधाओं में समरूपता-फ़िल्टरिंग
एपिटैक्सियल मैग्नीशियम ऑक्साइड (एमजीओ) की प्रारम्भ से पहले, आकारहीन एल्यूमीनियम ऑक्साइड का उपयोग एमटीजे की सुरंग बाधा के रूप में किया जाता था, और सामान्य कमरे का तापमान टीएमआर प्रतिशत की सीमा में था। MgO बाधाओं ने टीएमआर को सैकड़ों प्रतिशत तक बढ़ा दिया है। यह बड़ी वृद्धि इलेक्ट्रोड और अवरोधक इलेक्ट्रॉनिक संरचनाओं के सहक्रियात्मक संयोजन को दर्शाती है, जो बदले में संरचनात्मक रूप से आदेशित जंक्शनों की उपलब्धि को दर्शाती है। वास्तव में, MgO विशेष समरूपता के साथ इलेक्ट्रॉनों के सुरंग के संचरण को फ़िल्टर करता है जो कि अंतःकेंद्रित घन में प्रवाहित धारा के भीतर पूरी तरह से स्पिन-ध्रुवीकृत होते हैं। इस प्रकार, एमटीजे के समानांतर (P) इलेक्ट्रोड चुंबकीयकरण की स्थिति में, इस समरूपता के इलेक्ट्रॉन संबंध वर्तमान पर आच्छादित हैं। इसके विपरीत, एमटीजे की प्रतिसमान्तर (AP) स्थिति में, यह चैनल अवरुद्ध है, जैसे कि अगले सबसे अनुकूल समरूपता वाले इलेक्ट्रॉनों को संचारित करने के लिए संबंध  वर्तमान पर आच्छादित है। चूँकि वे इलेक्ट्रॉन एक बड़ी बाधा ऊँचाई के संबंध में सुरंग बनाते हैं, इसका परिणाम बड़े स्तर पर टीएमआर में होता है।

एमजीओ-आधारित एमटीजे में टीएमआर के इन बड़े मूल्यों से ऊपर, सुरंग स्पिंट्रोनिक्स पर बैरियर की इलेक्ट्रॉनिक संरचना के इस प्रभाव की अप्रत्यक्ष रूप से किसी समरूपता के इलेक्ट्रॉनों के लिए सम्बन्ध के संभावित परिदृश्य इंजीनियरिंग द्वारा पुष्टि की गई है। यह पहली बार यह जांच कर सिद्ध किया गया था कि दोनों पूर्ण स्पिन (P = + 1) और समरूपता ध्रुवीकरण सुरंग विद्युत रूप से पक्षपातपूर्ण SrTiO3 में सुरंग बाधा है। प्रारूप वृद्धि के दौरान सम्बन्ध अंतरफलक पर उपयुक्त धातु अन्तरक डालने का वैचारिक रूप से सरल प्रयोग भी बाद में प्रदर्शित किया गया है।.

जबकि सिद्धांत, पहली बार 2001 में तैयार किया गया था, एमटीजे के पी क्षेत्र में 4eV बाधा ऊंचाई और एमटीजे के एपी क्षेत्र में 12eV से जुड़े बड़े टीएमआर मूल्यों की भविष्यवाणी करता है, प्रयोग 0.4eV जितनी कम बाधा ऊंचाई प्रकट करते हैं। एमजीओ सुरंग बाधा में ऑक्सीजन रिक्तियों के स्थानीय क्षेत्रों को ध्यान में रखते हुए यह खंडन उठा लिया जाता है। एमजीओ एमटीजे में व्यापक ठोस-क्षेत्र सुरंग सूक्ष्मदर्शीकरण प्रयोग 2014 में हुआ था। कि जमीन पर विद्युतीय प्रतिधारण और ऑक्सीजन रिक्ति के उत्तेजित क्षेत्र, जो तापमान पर निर्भर है, किसी दिए गए समरूपता के इलेक्ट्रॉनों के लिए सुरंग बाधा ऊंचाई निर्धारित करता है, और इस प्रकार प्रभावी टीएमआर अनुपात और इसकी तापमान निर्भरता तैयार करता है। बदले में यह कम बाधा ऊंचाई प्रचक्रण-स्थानांतरण टॉर्क के लिए आवश्यक उच्च वर्तमान घनत्व को सक्षम करती है, इसके बाद बताया गया है।

चुंबकीय सुरंग जंक्शनों (एमटीजेएस) में स्पिन- स्थानांतरण टॉर्क

स्पिन-स्थानांतरण टॉर्क के प्रभाव का अध्ययन किया गया है और एमटीजे में व्यापक रूप से क्रियान्वित किया गया है, जहां दो लौह चुंबकीय इलेक्ट्रोड के समूह के बीच एक सुरंग बाधा सैंडविच होता है, जैसे कि बाएं इलेक्ट्रोड को मानते हुए दाहिने इलेक्ट्रोड का (मुक्त) चुंबकीयकरण होता है (निश्चित चुंबकीकरण के साथ) प्रचक्रण-ध्रुवित के रूप में कार्य करता है। इसके बाद इसे मैग्नेटोरेसिस्टिव रैंडम-एक्सेस मेमोरी उपकरण में कुछ उत्तम ट्रांजिस्टर (अर्धचालक युक्ति) पर पिन किया जा सकता है, या हार्ड डिस्क ड्राइव एप्लिकेशन में पूर्व प्रवर्धक से जोड़ा जा सकता है।

रैखिक प्रतिक्रिया वोल्टेज द्वारा संचालित प्रचक्रण-स्थानांतरण टोक़ वेक्टर, टोक चालक की अपेक्षा मूल्य से गणना की जा सकती है:

$$ \mathbf{T} = \mathrm{Tr}[\hat{\mathbf{T}} \hat{\rho}_\mathrm{neq}] $$ जहाँ $$ \hat{\rho}_\mathrm{neq} $$ गेज सिद्धांत है। शून्य-तापमान सीमा में, रैखिक-प्रतिक्रिया प्रतिक्रिया में, स्थिर-क्षेत्र परिवहन के लिए गेज-अपरिवर्तनीय असंतुलन घनत्व आव्यूह, और टोक़ संचालक $$ \hat{\mathbf{T}} $$ परिचक्रण संचालक के समय व्युत्पन्न से प्राप्त होता है:

$$ \hat{\mathbf{T}} = \frac{d\hat{\mathbf{S}}}{dt}= -\frac{i}{\hbar}\left[\frac{\hbar}{2}\boldsymbol{\sigma},\hat{H}\right] $$ 1D दृढ बंध हैमिल्टनियन के सामान्य रूप का उपयोग करना:

$$ \hat{H}=\hat{H}_0 - \Delta (\boldsymbol{\sigma} \cdot \mathbf{m})/2 $$ जहां कुल चुंबकीयकरण (सूक्ष्मप्रचक्रण के रूप में) m यूनिट वेक्टर के साथ है और पाउली मेट्रिसेस के गुण अपने प्राचीन वैक्टर सम्मिलित हैं $$ \mathbf{p},\mathbf{q} $$, द्वारा दिए गए

$$ (\boldsymbol{\sigma} \cdot \mathbf{p})(\boldsymbol{\sigma} \cdot \mathbf{q}) = \mathbf{p} \cdot \mathbf{q} + i(\mathbf{p}\times\mathbf{q})\cdot \boldsymbol{\sigma} $$

$$ (\boldsymbol{\sigma} \cdot \mathbf{p}) \boldsymbol{\sigma} = \mathbf{p} + i \boldsymbol{\sigma} \times \mathbf{p} $$

$$ \boldsymbol{\sigma}  (\boldsymbol{\sigma} \cdot \mathbf{q}) = \mathbf{q} + i \mathbf{q} \times  \boldsymbol{\sigma} $$ इसके बाद पहले इसके लिए एक विश्लेषणात्मक अभिव्यंजना प्राप्त करना संभव है $$ \hat{\mathbf{T}} $$ (जिसका उपयोग कर सघन रूप में व्यक्त किया जा सकता है  $$ \Delta, \mathbf{m} $$, और पाउली स्पिन मैट्रिसेस का वेक्टर $$ \boldsymbol{\sigma}=(\sigma_x,\sigma_y,\sigma_z) $$).

सामान्य एमटीजे में प्रचक्रण-स्थानांतरण टॉर्क वेक्टर के दो घटक होते हैं: समानांतर और सीधा घटक:

समानांतर घटक: $$ T_{\parallel}=\sqrt{T_x^2+T_z^2} $$ और एक लंबवत घटक: $$ T_{\perp}=T_y $$ सममित एमटीजे (समान ज्यामिति और विनिमय विभाजन वाले इलेक्ट्रोड से बने) में, प्रचक्रण-स्थानांतरण टोक़ वेक्टर में केवल एक सक्रिय घटक होता है, क्योंकि सीधा घटक गायब हो जाता है:

$$ T_{\perp} \equiv 0 $$. इसलिए केवल $$ T_{\parallel} $$ बनाम $$ \theta $$ सममित एमटीजे में सुरंग को चित्रित करने के लिए सही इलेक्ट्रोड की स्थल पर आलेखित करने की आवश्यकता है, जिससे वे औद्योगिक स्तर पर उत्पादन और लक्षण वर्णन के लिए आकर्षक बन सकता है।

टिप्पणी: इन गणनाओं में सक्रिय क्षेत्र (जिसके लिए अवमंदित ग्रीन के कार्य की गणना करना आवश्यक है) में सुरंग बाधा + परिमित मोटाई की सही लौह चुंबकीय परत (यथार्थवादी उपकरणों के रूप में) सम्मिलित होनी चाहिए। सक्रिय क्षेत्र बाएं लौह चुंबकीय इलेक्ट्रोड (गैर-शून्य जीमैन प्रभाव के साथ अर्ध-अनंत दृढ बंध श्रृंखला के रूप में तैयार किया गया) और दाहिने N इलेक्ट्रोड (किसी भी जीमैन विभाजन के बिना अर्ध-अनंत दृढ बंध श्रृंखला) से जुड़ा हुआ है, जैसा कि इसी स्व-ऊर्जा संबंध एन्कोड द्वारा किया गया है।

सिद्धांत और प्रयोग के बीच विसंगति
10000% का सैद्धांतिक सुरंग चुम्बक-प्रतिरोध अनुपात के बारे में बताया गया है। चूँकि, जो सबसे बड़ा देखा गया है वह केवल 604% है। एक सुझाव यह है कि उच्च कोटि की सीमाएं एमजीओ बाधा के आवरण गुणों को प्रभावित कर सकती हैं; चूँकि, छिपा हुआ ढेर संरचनाओं में परत की संरचना निर्धारित करना कठिन है। उच्च कोटि की सीमाएं उपकरण के प्रतिरोध को कम करने, सामग्री के माध्यम से लघु परिपथ चालन पथ के रूप में कार्य कर सकती हैं। वर्तमान ही में, नई स्कैनिंग संचरण इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी तकनीकों का उपयोग करते हुए, FeCoB/MgO/FeCoB MTJs के भीतर उच्च कोटि की सीमाओं को परमाणु रूप से सिद्ध किया गया है। इसने वास्तविक परत में उपस्थित संरचनात्मक इकाइयों पर किए जाने वाले पहले सिद्धांतों घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत गणनाओं की अनुमति दी है। इस प्रकार की गणनाओं से पता चला है कि बैंड अंतराल को 45% तक कम किया जा सकता है। उच्च कोटि की सीमाओं के अतिरिक्त, बोरॉन अंतरालीय और ऑक्सीजन रिक्तियों जैसे बिंदु दोष सुरंग चुम्बक-प्रतिरोध को महत्वपूर्ण रूप से बदल सकते हैं। कुछ समय पहले की सैद्धांतिक गणनाओं से पता चला है कि बोरॉन  औद्योगिक बैंड अंतराल में दोषपूर्ण अवस्थाओं का परिचय देते हैं जो संभावित रूप से टीएमआर को और कम कर देते हैं दो अलग-अलग प्रणालियों के बीच एमजीओ परत के भीतर बोरॉन की प्रकृति और टीएमआर अलग कैसे है, यह दिखाते हुए प्रायोगिक साक्ष्य द्वारा इन सैद्धांतिक गणनाओं का भी समर्थन किया गया है।

यह भी देखें

 * क्वांटम सुरंग
 * चुंबकीय प्रतिरोध
 * विशालकाय चुंबकीय प्रतिरोध (जीएमआर)
 * प्रचक्रण-स्थानांतरण टॉर्क