U ovom poglavlju ćete moći saznati koji je to fizikalni efekt iskorišteni u razvoju ove nove tehnologije koja je dovela do tako silovitog porasta kapaciteta tvrdih diskova.
Iako izraz "gigantski magneto-otpor" sugerira da je tu po srijedi isti fizikalni proces kao i kod magneto-otpora, to nije tako. Gigantski magneto-otpor se zasniva na potpuno drugačijem fizikalnom efektu i za njegovo razumijevanje neophodno je poznavati neke od principa kvantne fizike. Prije svega to se odnosi na koncepte elektronskog spina i elektronskih vrpci.

Elektroni su najmanji magneti

Za elektron znamo da je to elementarna čestica negativnog naboja koja tvori omotač oko atoma. Elektroni su oni koji nose naboj kroz vodič. Međutim, za našu je priču važno znati da su elektroni ujedno i najmanji 'magneti' - magnetski dipoli. Za razliku od svijeta u kojem vrijede zakoni klasične fizike, u kojem i najmanji magnet može biti orijentiran u prostoru u bilo kojem smjeru, u kvantnoj fizici vrijede neki drugi zakoni. U mikro svijetu, u kojem vladaju zakoni kvantne fizike, što je magnet manji to je manje smjerova prema kojima se magnet može usmjeriti. Tako elektron, kao najmanji magnet u prirodi, može biti orijentiran samo u dva smjera: "gore" i "dolje". Izraženo strožim jezikom fizičara, kažemo da elektron može biti samo u dva stanja kojima odgovaraju dvije vrijednosti spina: 1/2 i -1/2.


Za razumijevanje efekta gigantskog-magnetootpora potreban nam je i koncept elektronskih vrpci. Za ovu svrhu poslužit ćemo se vrlo jednostavnom slikom u kojoj (kao što je prikazano na slici lijevo)elektron može u kristalu imati bilo koju energiju u rasponu od E1 do E2. Taj energetski interval nazivamo vrpcom. Međutim, u metalima samo je jedan dio vrpce "ispunjen" elektronima. Maksimalna energija elektrona u metalima se naziva Fermijeve energija a u slici elektronskih vrpci definira se Fermi nivo. Samo elektroni koji su pobuđeni nekom interakcijom (absorpcijom fotona npr) skočit će na kratko iznad Fermi nivoa. Treba znati da je svako kretanje elektrona u metalu, pa tako i tok električne struje, praćeno "skakanjem" elektrona na viša energetska stanja unutar vrpce (vidi sliku). Za našu priču važno je znati da u vođenju struje ne sudjeluju svi elektroni u metalu nego samo elektronu u uskom energetskom pojasu oko Fermijeva nivoa.
Napomenimo i to da je kod svih metal, osim feromagneta, raspodjela elektrona u elektronskoj vrpci ista za elektrone oba spina. Drugim riječima, na bilo kojoj energiji, tj. u bilo kojem dijelu vrpce naći ćemo isti broj elektrona sa spinom 1/2 i -1/2.


Za razliku od običnih nemagnetskih materijala, kod feromagneta dolazi do energetskog "razdvajanja" elektronskih stanja s različitim spinovima. Dakle, više ne vrijedi tvrdnja da ćemo na bilo kojoj energiji, tj. u bilo kojem dijelu vrpce naći isti broj elektrona sa spinom 1/2 i -1/2. Za feromagnetske materijale možemo reći da su u većem dijelu elektronske vrpce energetska stanja za različite spinove razdvojena. To razdvajanje dovodi do toga da su samo elektroni jednog spina u blizini i na samom Fermi nivou (vidi sliku dolje). To znači da samo elektroni jednog spina vode struju!

Ako pod utjecajem vanjskog magnetskog polja promijenimo magnetizaciju u metalu, promijenili smo spin elektrona koji će voditi struju (slika gore desno). Ova promjene magnetizacije, odnosno spina elektrona koji vode struju je bez ikakvih vidljivih efekata po samu vodljivost tog metala. Sasvim je svejedno je li struju vode elektroni sa spinom gore ili spinom dolje. Međutim, interesantni efekti se pojavljuju tek kada su metali s istom ili različitom magnetizacijom u električkom spoju. Kao što ćemo vidjeti u nastavku, u tom slučaju, itekako je važno kakav spin imaju elektroni koji vode struju.

GMR ili spinski ventili
Pogledajmo kako se ponaša struja ako se u spoju nalaze metalni slojevi koji su magnetizirani u istom smjeru.
Slika dolje pokazuje jednu strukturu koja se sastoji od tri sloja od koja su dva magnetska a onaj koji ih dijeli, nemagnetski. Oba magnetska sloja su magnetizirana u istom smjeru. Kada su slojevi magnetizirani u istom smjeru kaže se da su feromagnetski (FM) uređeni. U slučaju kada su magnetizirani u suprotnim smjerovima imamo anti-feromagnetsko (AFM)uređenje. Feromagnetsko uređenje slojeva znači da u oba sloja elektroni istog spina vode struju. Budući da svi slojevi omogućavaju "protok" elektrona sa spinom "gore", ova slojevita struktura će dobro voditi struju.

Sada pogledajmo što će se desiti ako u jednom sloju promijenimo magnetizaciju. Kao što smo rekli, promjenom magnetizacije mijenja se spin elektrona koji dominantno vode struju. Elektroni iz prvog magnetiziranog sloja, koji imaju spin "gore" će normalno moći prolaziti kroz nemagnetizirani sloj. Ali ta struja elektrona sa spinom "gore" neće moći nastaviti teći u treći sloj jer tamo struju vode elektroni sa spinom "dolje". Jasno je da će ovako magnetizirani slojevi poprilično loše voditi struju (u idealnom slučaju, struja ne bi uopće tekla kroz ovakav element).

Mijenjanjem smjera vanjskog polja možemo magnetizirati jedan sloj u različitim smjerovima u odnosu na drugog. Rezultat promjene smjera magnetizacije je drastična promjena električnog otpora. To je razlog zašto se ovaj efekt također zove magneto otporni efekt. Zbog toga što ovaj efekt za rezultat ima puno veću osjetljivost električnog otpora o magnetskom polju dobio je još pridjev "gigantski" magneto-otpor (GMR). Iz gore opisanog efekta, jasno je zašto se ovi višeslojni elementi nazivaju i spinskim ventilima. Kao što i naslovi slika upućuju, slika 4.4 pokazuje situaciju kada je spinski ventil otvorena a slika 4.5 kada je spinski ventil zatvoren. Uočimo još jednom da se efekt propuštanja, odnosno nepropuštanja električne struje postiže zakretanjem magnetizacije u jednom sloju. Gotovo identičan analogon ovom efektu imamu u optici gdje dva linearna polarizatora jednako orijentirana propuštaju svjetlost dok će rotacija jednog polarizatora za 90o potpuno zapriječiti prolazak svjetlosti.

Pogledajmo sada kako se može postići da promjenjivim magnetskim poljem mijenjamo magnetsko uređenje višeslojne strukture iz FM (mali otpor) u AFM uređenje(veliki otpor).
Pretpostavimo da prvo cijeli sistem magnetiziramo u istom smjeru. Nakon toga se primijeni magnetsko polje u suprotnom smjeru. Međutim njegova jačina je tako odabrana da polje može okrenuti magnetizaciju u samo u jednom sloju. Kako je moguće da se u jednom metalu magnetizacija promijeni a u drugom ne. Sjetimo se da koercitivnost određuje koliko je vanjsko polje potrebno da se poništi magnetizacija u feromagnetu. Dakle, da bi preokrenuli magnetizaciju u drugom sloju ne mijenjajući značajno magnetizaciju u prvom, koercitivnost drugog sloja mora biti malena (uska histereza) u odnosu na sloj prvi (široka histereza). Ovdje važnu ulogu igra i nemagnetski sloj koji razdvaja dva feromagnetska sloja. Naime, principijelno, spinski ventil bi sasvim lijepo radio i bez nemagnetskog sloja. Međutim, u stvarnosti, teško je ostvariti promjenu magnetizacije samo u jednom sloju ako su magnetski slojevi u fizičkom kontaktu. Zato se oni odvajaju nemagnetskim slojem, koji je dovoljno debeo da spriječi promjenu magnetizacije drugog sloja ali s druge strane dovoljno tanak da cijeli sistem može i dalje funkcionirati kao spinski ventil.

Kako izgleda višeslojna struktura koja se koristi u tvrdim diskovima za čitanje informacija.
Spinski ventili koji se koriste u tehnologiji tvrdih diskova sastoje se od slojeva MnFe-Co-Cu-FeNi. MnFe legura se koristi za fiksiranje magnetizacije Co sloja. Bakreni sloj odvaja ovaj sloj od FeNi sloja koji je tzv. magnetski mekan materijal što znači da ima malu koercitivnost, za razliku od Co. Magnetizacija FeNi sloja će ovisiti o smjeru magnetizacije na tvrdom disku.
Slika dolje sugerira kako ovaj element čita informaciju zapisanu na tvrdom disku. Između Co i FeNi sloja postoji razlika potencijala. Kada ovaj element pređe preko područja koji magnetizira FeNi sloj u istom smjeru kao što je magnetiziran Co element njime će poteći struja. Kada element prođe preko magnetiziranog područja na disku koji antiferomagnetski uredi Co i FeNi sloj, kroz element će teći vrlo mala struja. Ova dva stanja se povezuju s logičkim elementima 1 i 0.
Atraktivnu animaciju rada GMR elementa možete naći na stranicama IBM-a
Budući da je ukupna debljina GMR elementa tek ne više od desetak nm jasno je da je za njegovo funkcioniranje od suštinske važnosti vrlo precizna kontrola debljine slojeva. Znanstvenici su u svojim laboratorijima još prije dvadesetak godina razvili metode za slaganje slojevitih struktura gdje se debljina sloja može kontrolirati do na debljinu jednog atomskog sloja (ultra thin film technology). U Hrvatskoj, takva tehnologija se rutinski koristi jedino u Laboratoriju za površinsku fiziku na Institutu za fiziku u Zagrebu.

Upravo zbog izuzetne osjetljivosti GMR elemenata na magnetsko polje bilo je moguće drastično smanjiti magnetizirana područja na tvrdom disku i tako povećati gustoću zapisa do neslućenih razmjera.
1998 godine gustoća zapisa koju je osiguravala GMR tehnologija iznosila je 635 Mb/cm2. Već 2000. godine IBM je pustio na tržište disk od 36GB (Ultrastar 36Z15) koji ima gustoću zapisa od 1.7Gb a vrti se fantastičnih 15,000 okretaja u minuti. Ali godinu dana ranije, 1999. IBM je, u laboratorijskim uvjetima postavio novi rekord od 3.1 Gb/cm2. Rekord je trajao samo pet mjeseci. Novi je postavljen opet u IBM a kapacitet je povećan na 5.47Gb na cm2!


Više tehničkih detalja o gigantskom magneto-otporu možete naći na stranicama fizičkog odsjeka sveučilišta u Leeds-u.
| Sadržaj | Uvod 1 | Induktivne glave | MR tehnologija | GMR tehnologija | Projekt |