Zawory spinowe

Zawór spinowy (SV – spin valve) – cienkowarstwowy układ typu AF/F₁/NF/F₂, wykazujący gigantyczny magnetoopór. Schematycznie układ warstwowy typ zawór spinowy pokazano na rys. 1.

Warstwa F₁, nazywa się przyszpiloną, gdyż do jej przemagnesowania niezbędne jest przyłożenie pola magnetycznego o odpowiednim kierunku i wartości znacznie przekraczającej pole koercji tej warstwy (H_C(1)).

W wyniku oddziaływania wymiany (rys. 2) warstwa ferromagnetyka w układzie AF/F₁ wykazuje asymetrię względem osi zerowego natężenia pola magnetycznego, determinującą pole wymiany H_EB (pole anizotropii jednozwrotowej).

${\displaystyle H_{EB}={\frac {J_{EB}}{\mu _{0}M_{F}t_{F}}}}$

Przemagnesowanie takiej warstwy zachodzi w polu H_EB±H_C(1) (Rys. 3). Natomiast warstwa swobodna (F₂), przy zaniedbywalnym oddziaływaniu pomiędzy F₁ i F₂, przemagnesowuje się w polu ±H_C(2). Warstwy ferromagnetyczne sprzężone z antyferromagnetycznymi wykazują anizotropię jednozwrotową, gdy: - są nanoszone w zewnętrznym polu magnetycznym, - są wygrzane powyżej temperatury Néela, oznaczanej w literaturze T_N (charakterystycznej temperatury, poniżej której występuje zjawisko antyferromagnetyzmu) i schłodzone w obecności zewnętrznego pola magnetycznego.

Zasadę działania zaworu spinowego wyjaśnia rys. 3, na którym pokazano pętle histerezy M(H) i zależności magnetooporowe GMR(H). Na efekt GMR w zaworach spinowych istotny wpływ ma grubość przekładki nieferromagnetycznej (NF). Za gruba warstwa przekładki powoduje zmniejszanie efektu GMR aż do jego zaniku przy niespełnieniu pierwszego z warunków wystąpienia GMR. Natomiast przy zbyt cienkiej przekładce istnieje prawdopodobieństwo powstania magnetycznych „mostków” pomiędzy warstwami F₁ i F₂, co prowadzi do ferromagnetycznego oddziaływania pomiędzy warstwami F₁ i F₂. W konsekwencji zakres pól magnetycznych, dla których obserwowana jest antyrównoległa konfiguracja namagnesowania (a tym samym wysoka wartość R), będzie ulegała stopniowemu zmniejszaniu. Przy silnym oddziaływaniu ferromagnetycznym przemagnesowanie obu warstw zachodzić będzie równocześnie, (bez względu na wartość pola magnetycznego) i efekt GMR nie będzie obserwowany.

Rysunek 4 pokazuje zmierzony GMR dla zaworu spinowego, na rysunku 5 widać pętlę histerezy magnetycznej zmierzoną za pomocą magnetometru wibracyjnego dla tego samego zaworu spinowego.

Zawory spinowe znajdują zastosowanie w głowicach odczytu twardych dysków. Właściwy czujnik jest umieszczony między dwiema warstwami wykonanymi z magnetycznie miękkiego materiału (rys. 6), które ekranują od wpływu pól rozproszonych wszystkich bitów (domen) poza aktualnie odczytywanym.

Oznaczenia:

• AF – warstwa antyferromagnetyczna
• F₁ – "przyszpilona" warstwę ferromagnetyka
• NF – przekładka nieferromagnetyczna
• F₂ – swobodną warstwę ferromagnetyczną.
• J_EB – energia oddziaływania wymiany antyferromagnetyk – ferromagnetyk
• M_F – namagnesowanie nasycenia warstwy ferromagnetycznej „przyszpilonej”
• t_F – grubość warstwy „przyszpilonej"
• H_EB – pole anizotropii jednozwrotowej
• μ₀ – przenikalność magnetyczna próżni
• M – moment magnetyczny
• M_S – moment magnetyczny nasycający
• H – natężenie pola magnetycznego