隧道磁阻

隧道磁阻（），又稱穿隧磁阻，是发生在磁隧道结（）中的磁阻效应，由一个薄绝缘体及被其隔开的两个铁磁体组成的组件。绝缘层足够薄（通常为几纳米）的情况下，电子可以从一个铁磁体隧穿过去另一边。由于这个过程在古典物理学中不可能实现的，所以隧道磁阻是一种严格的量子力学现象。

磁性隧道结通过薄膜技术进行制造。工业规模上的薄膜沉积通过磁控溅射沉积完成；实验室规模通过分子束外延、脉冲激光沉积以及电子束物理气相沉积制备。隧道的结通过光刻法制备。

现象学的描述
铁磁薄膜的两个磁化方向可以通过外部磁场单独切换。相对于反平行方向，如果磁化方向平行，电子更可能隧穿过绝缘膜。因此，这种结可以在两种电阻状态之间切换，一种具有低电阻，而另一种具有非常高的电阻。

历史
1975年，法国雷恩大学的Michel Jullière通过Fe /锗-氧/钴结在4.2 K时最初发现。阻值的相对变化在14％左右，并没有引起重视。 1991 年日本东北大学的宮崎照宣發現室溫下阻值變化為2.7%。後來在1994年，宮崎照宣在由无定形氧化铝绝缘体隔开的铁中测得18%的相对阻值变化，而Jagadeesh Moodera在CoFe和Co电极结中测得11.8%。當時觀察到的最高相對變化是鋁氧化物絕緣體在室溫下測得的70%。

自 2000 年以来，结晶氧化镁（MgO）的隧道勢壘一直在開發之中。 2001年Butler和Mathon獨立做出理論預測，以铁为铁磁体，并以MgO为绝缘体，隧道磁阻可达百分之几千。同年，Bowen 等人首次報告基於MgO的磁性隧道結 [Fe/MgO/FeCo(001)]中表現出顯著的TMR現象。 2004 年，Parkin和湯浅新治制造出室温下超过200%TMR的 Fe/MgO/Fe结。 2008年，日本東北大學的S. Ikeda, H. Ohno小組在CoFeB/MgO/CoFeB結中觀察到室溫下高達 604% 效果以及 4.2 K 下超過 1100% 的效果。

应用
现代硬盘驱动器的读取头原理基于磁隧道结。TMR，或者说磁隧道结，也是新型的非挥发性存储器MRAM的前身。第一代的技术通过在每个位点上创建交叉磁场并在其上写入数据，但是这种方法的缩放只能限制在90-130 nm左右。目前正在开发两种第二代技术：热辅助开关(TAS) 自旋极化实际上相当于证明了该特性。

TMR 隨著溫度升高和偏置電壓升高而降低。兩者原則上都可以通過磁振子相互作用來理解，以及由於氧空位引起的局部狀態的隧穿（參見下文的對稱濾波部分）。

隧道屏障中的对称滤波
在引入外延氧化镁（MgO）之前，非晶氧化鋁被用作MTJ的隧道勢壘，室溫TMR一般在百分之幾十的範圍內。 MgO屏障將 TMR 提高到數百個百分點。這種大幅增加反映了電極和勢壘電子結構的協同組合，這反過來又反映了結構有序結的實現。實際上，MgO過濾了具有特定對稱性的電子的隧道傳輸，這些電子在流經体心立方鐵基電極的電流內完全自旋極化。因此，在MTJ的電極磁化平行 (P) 狀態下，這種對稱的電子可以支配結電流。相反，在MTJ的反平行 (AP) 狀態下，該通道被阻塞，因此具有下一個最有利於傳輸的對稱性的電子主導結電流。由於這些電子相對於更大的勢壘高度隧穿，這導致相當大的TMR。

除了跨过基于MgO的MTJ 的这些大的 TMR 值之外，后来也证明了在样品生长期间在结界面处插入适当的金属间隔物的更简单的实验发现。

虽然在 2001 年首次提出的理论扭矩算子 \hat{\mathbf{T}} 从自旋算子的时间导数可以得到：

\hat{\mathbf{T}} = \frac{d\hat{\mathbf{S}}}{dt}= -\frac{i}{\hbar}\left[\frac{\hbar}{2}\boldsymbol{\sigma},\hat{H}\right]

使用一维紧束缚哈密顿量的一般形式：

\hat{H}=\hat{H}_0 - \Delta (\boldsymbol{\sigma} \cdot \mathbf{m})/2

其中總磁化強度（作為宏自旋）沿著單位矢量 \mathbf{m}和涉及任意经典向量的泡利矩阵性质 \mathbf{p},\mathbf{q} , 由

(\boldsymbol{\sigma} \cdot \mathbf{p})(\boldsymbol{\sigma} \cdot \mathbf{q}) = \mathbf{p} \cdot \mathbf{q} + i(\mathbf{p}\times\mathbf{q})\cdot \boldsymbol{\sigma}

(\boldsymbol{\sigma} \cdot \mathbf{p}) \boldsymbol{\sigma} = \mathbf{p} + i \boldsymbol{\sigma} \times \mathbf{p}

\boldsymbol{\sigma} (\boldsymbol{\sigma} \cdot \mathbf{q}) = \mathbf{q} + i \mathbf{q} \times \boldsymbol{\sigma}

可以获得一个解析表达式 \hat{\mathbf{T}} （可以使用緊湊形式表示 \Delta, \mathbf{m} ，以及泡利自旋矩陣的向量 \boldsymbol{\sigma}=(\sigma_x,\sigma_y,\sigma_z) )。

一般 MTJ 中的自旋轉移力矩矢量有兩個分量：平行分量和垂直分量：

一个平行分量： T_{\parallel}=\sqrt{T_x^2+T_z^2}

和一个垂直分量： T_{\perp}=T_y

在對稱 MTJ（由具有相同幾何形狀和交換分裂的電極製成）中，自旋轉移矩矢量只有一個有效分量，因為垂直分量消失了：

T_{\perp} \equiv 0 .

因此，只有 T_{\parallel} 对比 \theta 需要在正確電極的位置繪製以表徵對稱 MTJ 中的隧道效應，使其可以用於工業規模的生產和表徵。

注意：在這些計算中，有源區域（需要計算延遲格林函數）應由隧道勢壘 + 有限厚度的右側鐵磁層組成（如在實際設備中）。活性區域連接到左鐵磁電極（建模為具有非零塞曼分裂的半無限緊束縛鏈）和右 N 電極（沒有任何塞曼分裂的半無限緊束縛鏈），由相應的自能項。

理论与实验的差异
已经可以预测理論隧道的磁阻比。然而，已觀察到的最大僅為 604%。一种猜想是晶界可能會影響 MgO 勢壘的絕緣性能。然而，掩埋堆疊結構中的薄膜結構很難確定。晶界可以充當通過材料的短路傳導路徑，從而降低器件的電阻。最近，使用新的掃描透射電子顯微鏡技術，FeCoB/MgO/FeCoB MTJ 內的晶界已被原子分辨。這允許對真實薄膜中存在的結構單元進行第一原理密度泛函理论计算。這樣的計算表明，帶隙可以減少多達 45%。

除了晶界之外，硼間隙和氧空位等點缺陷都可能會顯著改變隧道磁阻。最近的理論計算表明，硼間隙會在帶隙中引入缺陷態，可能會進一步降低 TMR 這些理論計算也得到了實驗證據的支持，實驗證據顯示了兩個不同系統之間 MgO 層中硼的性質以及如何TMR 是不同的。

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