Μαγνητοαντίσταση

Μαγνητοαντίσταση είναι η τάση ενός υλικού (κατά προτίμηση σιδηρομαγνητικού) να αλλάζει την τιμή της ηλεκτρικής αντίστασης του σε ένα εξωτερικά εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο. Υπάρχει μια ποικιλία φαινομένων που μπορούν να ονομαστούν μαγνητοαντίσταση. Ορισμένα παρουσιάζονται σε χύδην μη μαγνητικά μέταλλα και ημιαγωγούς, όπως η γεωμετρική μαγνητική αντίσταση, οι ταλαντώσεις Shubnikov de Haas ή η κοινή θετική μαγνητική αντίσταση στα μέταλλα. Άλλα φαινόμενα παρουσιάζονται σε μαγνητικά μέταλλα, όπως η αρνητική μαγνητοαντίδραση σε σιδηρομαγνήτες ή η ανισοτροπική μαγνητοαντίσταση (AMR). Τέλος, σε συστήματα πολλαπλών στρωμάτων (π.χ. μαγνητικές συνδέσεις σήραγγας), μπορεί να παρατηρηθεί γιγαντιαία μαγνητοαντίσταση (GMR), μαγνητοαντίσταση σήραγγας (TMR), κολοσσιαία μαγνητοαντίσταση (CMR) και ασυνήθης μαγνητοαντίσταση (EMR).

Ανισοτροπική μαγνητοαντίσταση

Το σχήμα παρουσιάζει την αντίσταση μιας λεπτής μεμβράνης Permalloy σαν συνάρτηση της γωνίας ενός εφαρμοσμένου εξωτερικού πεδίου, με την κατεύθυνση ροής του ηλεκτρικού ρεύματος σ' αυτήν.

Η ανισοτροπική μαγνητοαντίσταση ή ανισοτροπική μαγνητική αντίσταση (αγγλικά: anisotropic magnetoresistance - AMR), είναι η ιδιότητα κάποιων υλικών στα οποία παρατηρείται εξάρτηση της ηλεκτρικής αντίστασης που παρουσιάζουν, από τη γωνία μεταξύ της κατεύθυνσης ροής του ηλεκτρικού ρεύματος και της κατεύθυνσης του μαγνητικού πεδίου, μέσα στο οποίο βρίσκονται. Ο πρώτος που ανακάλυψε τέτοια υλικά είναι Ουίλιαμ Τόμσον.

Ο λεπτομερής μηχανισμός του φαινομένου εξαρτάται από το υλικό. Το αποτέλεσμα (στα περισσότερα υλικά) είναι ότι η ηλεκτρική αντίσταση του υλικού έχει μέγιστη τιμή, όταν η κατεύθυνση του ρεύματος είναι παράλληλη με το εφαρμοσμένο μαγνητικό πεδίο. Η ανισοτροπική μαγνητοαντίσταση νέων υλικών διερευνάται και αλλαγές της αντίστασης έως και 50% έχουν παρατηρηθεί σε ορισμένες ενώσεις σιδηρομαγνητικού ουρανίου.

Σε πολυκρυσταλλικά σιδηρομαγνητικά υλικά, η ανισοτροπική μαγνητοαντίσταση εξαρτάται μόνο από τη γωνία ${\displaystyle \varphi =\psi -\theta }$ μεταξύ της μαγνήτισης και της κατεύθυνσης του ηλεκτρικού ρεύματος και (εφ 'όσον η αντίσταση του υλικού μπορεί να περιγραφεί από έναν τανυστή δεύτερης τάξης), ακολουθεί τη σχέση

${\displaystyle \rho (\varphi )=\rho _{\perp }+(\rho _{\parallel }-\rho _{\perp })\cos ^{2}\varphi }$

που ${\displaystyle \rho }$ είναι η (διαμήκης) ειδική αντίσταση της μεμβράνης και ${\displaystyle \rho _{\parallel ,\perp }}$ είναι οι αντιστάσεις για ${\displaystyle \varphi =0}$ και ${\displaystyle 90^{\circ }}$, αντίστοιχα. Σε συνδυασμό με τη διαμήκη ειδική αντίσταση, υπάρχει επίσης η εγκάρσια αντίσταση που μπερδεύεται με το επίπεδο φαινόμενο Hall. Σε μονοκρυστάλλους, η αντίσταση ${\displaystyle \rho }$ εξαρτάται ανεξάρτητα από τα ${\displaystyle \psi ,\theta }$.

Για να αντιμετωπιστούν τα μη γραμμικά χαρακτηριστικά και η αδυναμία ανίχνευσης της πολικότητας ενός μαγνητικού πεδίου, χρησιμοποιείται στους αισθητήρες η ακόλουθη δομή : Λωρίδες από αλουμίνιο ή χρυσό τοποθετούνται σε λεπτό φιλμ permalloy (ένα σιδηρομαγνητικό υλικό που εμφανίζει το αποτέλεσμα της ανισοτροπικής μαγνητοαντίστασης) με γωνία 45 °. Αυτή η δομή αναγκάζει το ρεύμα να μην ρέει κατά μήκος των "εύκολων αξόνων" του λεπτού φιλμ, αλλά υπό γωνία 45 °. Η εξάρτηση της αντίστασης έχει τώρα μόνιμη μετατόπιση η οποία είναι γραμμική γύρω από το μηδενικό σημείο. Λόγω της εμφάνισής του, αυτός ο τύπος αισθητήρα ονομάζεται «barber pole».

Το φαινόμενο της ανισοτροπικής μαγνητοαντίστασης χρησιμοποιείται σε ένα πλήθος αισθητήρων για τη μέτρηση του μαγνητικού πεδίου της γης (ηλεκτρονική πυξίδα ), για μέτρηση ηλεκτρικού ρεύματος (με μέτρηση του μαγνητικού πεδίου που δημιουργείται γύρω από τον αγωγό), για ανίχνευση κυκλοφορίας και για γραμμική ανίχνευση θέσης και γωνίας. Οι μεγαλύτεροι κατασκευαστές αισθητήρων ανισοτροπικής μαγνητοαντίστασης είναι οι Honeywell, η NXP Semiconductors, η STMicroelectronics και η Sensitec GmbH .

Οι I. A Campbell, A. Fert και O. Jaoul (CFJ) ^[1] παρήγαγαν με την αλληλεπίδραση σπιν-τροχιάς, μια σχέση του λόγου ανισοτροπικής μαγνητοαντίστασης για τα κράματα με βάση το Ni χρησιμοποιώντας το μοντέλο δύο ρευμάτων με διεργασίες σκέδασης s-s και s-d, όπου s είναι ένα ηλεκτρόνιο αγωγιμότητας και το d σε κατάσταση 3d,.

Ο λόγος ανισοτροπικής μαγνητοαντίστασης εκφράζεται ως

${\displaystyle {\frac {\Delta \rho }{\rho }}={\frac {\rho _{\parallel }-\rho _{\perp }}{\rho _{\perp }}}=\gamma (\alpha -1),}$

με ${\displaystyle \gamma =(3/4)(A/H)^{2}}$ και ${\displaystyle \alpha =\rho _{\downarrow }/\rho _{\uparrow }}$, που ${\displaystyle A}$, ${\displaystyle H}$, και ${\displaystyle \rho _{\sigma }}$ είναι μια σταθερά σύζευξης σπιν-περιστροφής (λεγόμενη ${\displaystyle \xi }$ ), ένα πεδίο ανταλλαγής και μια ειδική αντίσταση για σπιν ${\displaystyle \sigma }$, αντίστοιχα. Επιπλέον, πρόσφατα, ο Satoshi Kokado et al. παρήγαγε τη γενική έκφραση του λόγου ανισοτροπικής μαγνητοαντίστασης για τα 3d μετάβασης ferromagnets μέταλλα, γενικεύοντας τη θεωρία CFJ. Η γενική έκφραση μπορεί επίσης να εφαρμοστεί στα ημιμέταλλα.

Παραπομπές

1. Campbell, I. A.; Fert, A.; Jaoul, O. (1970). «The spontaneous resistivity anisotropy in Ni-based alloys». J. Phys. C 3 (1S): S95-S101. doi:10.1088/0022-3719/3/1S/310. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0022-3719/3/1S/310.