Vědci na stopě původu dlouho známého elektrického jevu, anizotropní magnetorezistence

Výše elektrického odporu se přitom mění s úhlem, který svírá směr proudu a magnetizace kovu: pokud se proud šíří rovnoběžně s magnetizací, je odpor větší, než když se šíří kolmo na ni. Jev jako první pozoroval již v roce 1856 britský vědec William Thompson, známý též jako lord Kelvin.

Teď se na něj zaměřili čeští fyzici ve spolupráci s kolegy z Německa a Nizozemska v nové studii, kterou minulý týden zveřejnil americký časopis Physical Review X.

„Pomocí měření odporu je možné snadno určit, jakým směrem míří magnetizace v materiálu. Velmi užitečné je, že tento jev se dá použít i na detekci orientace magnetického uspořádání v antiferomagnetických materiálech, které jsou nyní ve velkém zájmu moderní spintroniky,“ říká dr. Lukáš Nádvorník z MFF UK, který je hlavním autorem studie. Spintronika je odvětví elektroniky, které využívá vedle náboje částic také jejich spin (vnitřní magnetický moment) a usiluje o vývoj nových typů součástek umožňujících mimo jiné velmi rychlý zápis dat do paměťových bitů.

Vědecký tým zkoumal původ AMR v tenkých vrstvách magnetických materiálů, jako je železo, nikl, kobalt nebo permalloy (slitina niklu a železa). Cílem bylo zjistit, zda a jak dobře by se efekt dal využít v součástkách, které by fungovaly na velmi vysokých frekvencích. Vůbec poprvé byla k výzkumu magnetorezistenčního jevu využita metoda terahertzové spektroskopie.

„Terahertzová spektroskopie v časové doméně je relativně mladý obor na rozhraní optiky a elektroniky, který pokrývá oblast elektromagnetického záření s vlnovými délkami od desítek mikrometrů po jednotky milimetrů. Tyto frekvence byly až donedávna člověku téměř nepřístupné,“ upřesňuje dr. Nádvorník. Unikátní metoda umožňuje vytvářet 1 pikosekundu krátké pulzy, které se při průchodu látkou chovají, jako by k vodivému vzorku byl připojen hypotetický zdroj elektrických proudových pulzů na THz frekvencích.

Železo, nikl, kobalt a permalloy patří mezi nejběžnější magnetické materiály. Mezi odborníky dosud převládal názor, že AMR v těchto materiálech vzniká výhradně v důsledku spinově závislých kolizí elektronů (nosičů elektrického proudu) s nečistotami. Fyzici však teď ukázali, že takový výklad není úplný. „Ukázali jsme, že například v kobaltu, velmi běžném magnetickém materiálu, se vyskytuje také jiný mechanismus AMR, který dokonce převládá. Tento mechanismus je založený na tom, že elektrony pohybující se rovnoběžně a kolmo k magnetizaci mají jinou hmotnost, a tedy i reálnou rychlost. Vůbec k tomu není potřeba kolizí elektronů s nečistotami.“

Vědci využili kmitající elektrické pole v pulzu THz záření, které se měnilo tak rychle, že se elektrony nestačily srážet s nečistotami. V druhém kroku použili pomaleji kmitající pole, kde se už elektrony srážely. Oba režimy pak srovnali.

„Takové přímé experimentální srovnání různých režimů elektronového transportu by bylo bez THz spektroskopie velice obtížné, ne-li nemožné. Krásně to tedy ukazuje, že THz spektroskopie a spintronika si mají vzájemně hodně co dát. Už nyní přemýšlíme nad tím, jaké další spintronické jevy můžeme u nás na fakultě v THz oboru zkoumat,“ shrnuje dr. Nádvorník, jenž se terahertzovou spintronikou začal zabývat během postdoktorského pobytu na Freie Universität Berlin a Fritz Haber Institute of the Max Planck Society a nyní se tento obor snaží etablovat také v Česku v rámci skupiny a laboratoře, kterou před dvěma lety založil na MFF UK.

Nové poznatky o původu jevu AMR by podle autorů měly pomoci s posunem spintronických součástek, jako jsou antiferomagnetické paměti, do velmi vysokých frekvencí, což by mohlo umožnit jejich velmi rychlé fungování.