المقاومة المغناطيسية العملاقة
المقاومة المغناطيسية العملاقة GMR هي تأثير مقاومة مغناطيسية من ميكانيكا الكم يـُلاحـَظ في أبنية الطبقات الرقيقة المكونة من طبقات متناوبة حديدية المغناطيسية ferromagnetic وأخرى غير مغناطيسية.
التأثير يتجلى كنقص ملحوظ في المقاومة الكهربائية في وجود مجال مغناطيسي. في غياب مجال مغناطيسي خارجي، فإتجاه المغنطة للطبقات حديدية المغناطيسية المجاورةقد يكون antiparallel نتيجة coupling مضاد للمغناطيسية الحديدية ضعيف بين الطبقات. النتيجة تكون تشتت مغناطيسي عالي المقاومة.
وعند تطبيق مجال مغناطيسي خارجي، فإن المغنطة للطبقات حديدية المغناطيسية المجاورة تكون متوازية. وينتج عن ذلك تشتت مغناطيسي أقل، ومقاومة أقل.
تجارياً يستغل هذا التأثير منتجوالأقراص الصلبة. جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2007 مـُنـِحت للعالمين ألبير فـِر وپيتر گرونبرگ لاكتشافهم م.م.ع. GMR.
الاكتشاف
م.م.ع. GMR تم اكتشافها عام 1988 في طبقات ثلاثية من Fe/Cr/Fe من قِبل فريق أبحاث بقيادة پيتر گرونبرگ من مركز أبحاث يوليش (ألمانيا)، الذي يمتلك براءة الاختراع. وقد تم اكتشافه في نفس الوقت وبدون أي صلة من في طبقات متعددة من Fe/Cr بواسطة مجموعة ألبير فـِر في جامعة جنوب پاريس (فرنسا). مجموعة فـِر كانت السباقة في رؤية التأثير الكبير في الطبقات المتعددة مما أدى إلى التسمية، وكانت السباقة أيضاً إلى الشرح السليم للفيزياء التي تقوم عليها. اكتشاف م.م.ع. GMR يـُعتبر ميلاد spintronics. وقد تلقى جميع من گرونبرگ وفـِر الكثير من الجوائز والمكافآت لاكتشافهم ولإسهاماتهم في مجال spintronics بما في ذلك جائزة نوبل في الفيزياء عام 2007.
أنواع م.م.ع. GMR
م.م.ع. GMR متعددة الطبقات
Spin valve GMR
المقاومة المغناطيسية العملاقة أوG M R في العام 1988، توصل فير وغرونبرغ، عبر بحوث مستقلة، لاكتشاف نظرية عن المقاومة التي تظهر عند التعامل مع التيار الكهربائي والحقل المغناطيسي على مستوى الذرّات. وسمياها «المقاومة المغناطيسية العملاقة». ثم عملا على تطبيق تلك النظرية على عملية تخزين المعلومات في الأقراص الصلبة للكومبيوتر. فقد فرض تطور صناعة الحواسيب خلق أقراص صلبة يصغر حجمها باستمرار، لكن قدرتها على تخزين المعلومات تتضاعف باطراد.
والمعروف حتى المعلومة «تحفر» على القرص الصلب على هيئة «حقل» مغناطيسي متناهي الصغر، وعند قراءته يتحوّل الى تيار كهربائي فيستطيع الحاسوب التعهد اليه لأن الحاسوب يقرأ المعلومات باعتبارها تياراً كهربائياً يسير وينبتر، ما يساوي اللغة الرقمية للكومبيوتر التي تتألف من مجاميع متسلسلة من رقمي صفر (انقطاع التيار) وواحد (استمرار التيار). وحدثا زاد حجم المعلومات، حدثا توجب حتى تحتل مساحة أقل فأقل على القرص الصلب. وعندما نصل الى أقراص تحتوي على عشرات من التيرابايت (كل منها يساوي تريليون بايت)، يصبح «حفر» المعلومات عملاً يجري عند حدود الذرات، وكذلك الحال بالنسبة لقراءته أي لتحويل هذا الحقل المغناطيسي الذري الى تيار كهربائي ليستطيع الحاسوب حتى يلاحظه.
ولذلك فإن التخزين المكثف للمعلومات يقابل القوى المغناطيسية على مستوى ذري، وحيث تبرز «المقاومة المغناطيسية العملاقة». وكذلك يحتاج الأمر الى أدوات تستطيع حتى تقرأ المعلومات الممغنطة عند حدود ذرية أيضاً. ولذا، استخدم العالمان فير وغرونبرغ نظريتهما المغناطيسية لصنع رؤوس متناهية الصغر، وبحجم لا يزيد على مجموعة صغيرة من الذرّات، تقدر على التعامل مع الحقول المغناطيسية الفائقة الصغر ومقاومتها. واستخدما فهم النانوتكنولوجي، الذي يتعامل مع الأمور في مستوى الواحد من المليون من الملليمتر، في صناعة تلك القارئات المغناطيسية. وأسديا بذلك خدمة هائلة لتطور الحاسوب وصناعته، كما الحال بالنسبة الى الأدوات التي تستعمل أقراصاً صلبة لتخزين المعلومات مثل مشغلات الموسيقى والصوت والصورة الرقمي والخليوي والمساعد الرقمي الشخصي وغيرها.
خاصية من ميكانيكا الكم للإلكترون تُعهد باسم السپين (التدويم) spin وذات صلة وثيقة بالمغنطيسية. فالتجهيزات التي تعتمد على استخدام سپين الإلكترون لتأدية وظائفها تكوِّن أساس الإلكترونيات السپينية (وهذه الحدثة هي اختصار لـ spin-based electronics)، التي تُعهد أيضا بالإلكترونيات المغنطيسية . لذلك كان لتقانة معالجة المعلومات اعتماد كبير على التجهيزات الشحنية ـ بدءا من الصمام المفرغ الذي أصبح غريباً الآن، وانتهاء بالشيپات الميكروية ذات المليون ترانزستور. هذه التجهيزات الإلكترونية التقليدية تحرِّك الشحنات الكهربائية متجاهلة السپين الذي تُلحقه في طريق جميع إلكترون.
ومع ذلك فإن المغنطيسية (ومن ثَمّ سپين أي تدويم الإلكترون) تظل مهمة على الدوام في مسألة تخزين المعلومات. فسوّاقات الأقراص الصلبة في الحواسيب المغرِقة في القدم مثلا استخدمت المقاومة المغنطيسية ـ وهي تغيُّر في المقاومة الكهربائية ينجم عن حقل مغنطيسي ـ لقراءة البيانات المخزنة في الحقول المغنطيسية. لذا فليس مستغربا حتى تُحقق صناعة وسائط خزن المعلومات النجاحات الأولية في تقانة الإلكترونيات السپينية. فمعظم الحواسيب المحمولة أصبحت الآن مزودة بسواقات أقراص صُلبة بسعات عالية تَرزُم كمية هائلة من البيانات في جميع مليمتر مربع. تعتمد هذه السواقات على مفعول السپين الإلكتروني ـ تلك المقاومة المغنطيسية الهائلة ـ لقراءة مثل هذه البيانات الكثيفة.
أساسيات ال (سبين)
إضافة إلى كتلة الإلكترون وشحنته، فإن له كمية ذاتية من الزخم الزاوي تسمى السپين كما لوأنه كرة دقيقة تدوربسرعة كبيرة يترافق مع السپين حقل مغنطيسي يشبه قضيبا مغنطيسيا صغيرا جدا يتراصف مع محور السپين.
يمثل الفهماء السپين بمتجه. ففي حالة كرة تدور «من الغرب إلى الشرق»قد يكون اتجاه المتجه إلى «الشمال» أوإلى «الأعلى»؛ وإلى «الأسفل» في حالة الدوران المعاكسة.
في الحقل المغنطيسي، تمتلك الإلكترونات ذات السپين العُلوي والسفلي طاقتين مختلفتين.
في التيار الكهربائي العادي تتوجه السپينات عشوائيا، وليس لها أي أثر في تدفق التيار.
تُحدِث تجهيزات الإلكترونيات السپينية تيارات مستقطبة بالسپين، وتَستعمل السپين للتحكم في تدفق التيار.
التطبيقات
GMR has been used extensively in the read heads in modern hard drives and magnetic sensors. Another application of the GMR effect is in magnetoresistive random access memory (MRAM), a type of non-volatile semiconductor memory. GMR has triggered the rise of a new field of electronics called spintronics.
المصادر
- ^ Stoner-Leeds
- L. L. Hinchey and D. L. Mills (1986). "Magnetic properties of superlattices formed from ferromagnetic and antiferromagnetic materials". Physical Review B. 33 (5): 3329–3343. doi:10.1103/PhysRevB.33.3329.
- P. Grünberg, R. Schreiber, Y. Pang, M. B. Brodsky, and H. Sowers (1986). "Layered Magnetic Structures: Evidence for Antiferromagnetic Coupling of Fe Layers across Cr Interlayers". Physical Review Letters. 57 (19): 2442–2445. doi:10.1103/PhysRevLett.57.2442.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
- C. Carbone and S. F. Alvarado (1987). "Antiparallel coupling between Fe layers separated by a Cr interlayer: Dependence of the magnetization on the film thickness". Physical Review B. 36 (4): 2433. doi:10.1103/PhysRevB.36.2433.
- M. N. Baibich , J. M. Broto, A. Fert, F. Nguyen Van Dau, F. Petroff, P. Eitenne, G. Creuzet, A. Friederich, and J. Chazelas (1988). "Giant Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic Superlattices". Physical Review Letters. 61 (21): 2472–2475. doi:10.1103/PhysRevLett.61.2472.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
- G. Binasch, P. Grünberg, F. Saurenbach, and W. Zinn (1989). "Enhanced magnetoresistance in layered magnetic structures with antiferromagnetic interlayer exchange". Physical Review B. 39 (7): 4828–4830. doi:10.1103/PhysRevB.39.4828.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
- A. E. Berkowitz, J. R. Mitchell, M. J. Carey, A. P. Young, S. Zhang, F. E. Spada, F. T. Parker, A. Hutten, and G. Thomas (1992). "Giant magnetoresistance in heterogeneous Cu-Co alloys". Physical Review Letters. 68 (25): 3745–3748. doi:10.1103/PhysRevLett.68.3745.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
- John Q. Xiao, J. Samuel Jiang, and C. L. Chien (1992). "Giant magnetoresistance in nonmultilayer magnetic systems". Physical Review Letters. 68 (25): 3749–3752. doi:10.1103/PhysRevLett.68.3749.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
-
Z.Y. Leong, S.G. Tan, M.B.A. Jalil, S. Bala Kumar, and G.C. Han (Journal of Magnetism and Magnetic Materials). "Magnetoresistance modulation due to interfacial conductance of current perpendicular-to-plane spin valves". Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 310 (2): e635–637. doi:10.1016/j.jmmm.2006.10.679. Check date values in:
|year=(help)CS1 maint: multiple names: authors list (link)
طالع أيضاً
وصلات خارجية
- Giant Magnetoresistance: The Really Big Idea Behind a Very Tiny Tool National High Magnetic Field Laboratory
- Presentation of GMR-technique (IBM Research)
- Nobel prize in physics 2007 - Scientific background
- Scientific background
