Giant Magnetoresistance: storia, teoria e applicazioni

GMR effect

Giant Magnetoresistance (GMR), in italiano magnetoresistenza gigante, è un effetto fisico di tipo magnetoresistivo che oggigiorno viene utilizzato in una vasta gamma di applicazioni. Pensate che l’effetto GMR è stato scoperto in maniera indipendente da parte di due fisici durante ricerche di fisica allo stato solido, i quali, dopo circa un ventennio dalla scoperta, hanno ottenuto il premio Nobel per la Fisica poiché considerata la base nella nascita della Spintronica, ossia lo studio della relazione tra le strutture elettroniche e gli spin dei materiali. In questo articolo approfondiremo il principio fisico dell’effetto GMR e andremo a vedere le applicazioni consumer e industriali che hanno portato tale scoperta al successo e all’affermazione tanto da far ottenere l’ambito premio Nobel.

Introduzione

Il comportamento dei materiali magnetici dipende dall'origine del magnetismo a livello atomico: infatti, le cariche elettriche sono dotate di momenti magnetici, cioè lo spin degli elettroni o il moto orbitale dell'atomo. Questi due concetti sono legati tra loro e il comportamento dei materiali magnetici dipende solo dai livelli incompleti, ossia quei livelli il cui numero di elettroni non è tale da annullare il momento magnetico. I materiali possono essere classificati in 3 grandi macro categorie (schematizzate in Figura 1) in funzione delle loro proprietà magnetiche, ovvero del loro comportamento quando sollecitati da un campo magnetico esterno:

Figura 1. Categorie magnetiche dei materiali più comuni

  • materiali ferromagnetici: sono quei materiali che presentano una suscettività magnetica molto elevata. Nei materiali ferromagnetici i momenti di dipolo magnetico si allineano uno all’altro in piccole regioni dette domini di Weiss. In ogni dominio la direzione del momento magnetico è la stessa per tutti i dipoli che vi appartengono ed ognuno di essi ha una direzione diversa da quello adiacente. La somma vettoriale di tutti i momenti dei singoli domini può essere nulla: materiale non magnetizzato. Quando viene applicato un campo magnetico esterno, allora, i domini con orientazione casuale si allineano lungo la direzione del campo applicato, rafforzandolo (materiale magnetizzato). Materiali di questo tipo sono Ferro, Cobalto e Nichel;
  • materiali diamagnetici: il materiale reagisce con il campo magnetico esterno applicato mostrando una debole magnetizzazione opposta (esempi sono argento, rame e zinco). In particolare, le particelle del materiale diamagnetico si dispongono in posizione antiparallela indebolendo il campo esterno applicato;
  • materiali paramagnetici: gli atomi che costituiscono il materiale si allineano in presenza di un campo magnetico esterno (lungo la stessa direzione) rinforzando il campo magnetico stesso (si definisce magnetizzazione concorde). Materiali con questa caratteristica sono alluminio, platino o titanio.

La scoperta e il principio fisico

Era la fine degli anni '80, con precisione il 1988, quando il fisico tedesco Grünberg e il fisico francese Fert hanno scoperto, in due ricerche indipendenti, l’effetto GMR attraverso i loro studi sull’interazione tra film metallici sottili. In particolare, le ricerche in essere hanno osservato il comportamento della magnetizzazione tra sottili strati di materiali ferromagnetici (in particolare ferro e cromo) separati da un sottile strato intermedio di materiale non magnetico (tecnicamente detto diamagnetico). Dall’osservazione hanno ricavato che la magnetizzazione si allineava in maniera spontanea in modo parallelo o antiparallelo a seconda dello spessore dello strato intermedio. Il principio fisico dietro tale scoperta si riconduce al comportamento elettrico in funzione dell’orientamento della magnetizzazione. Infatti, quest’ultimo influenza in maniera significativa la resistenza del sistema multistrato. In particolare, in condizioni di magnetizzazione parallela la resistenza risulta molto bassa, mentre con gli orientamenti antiparalleli si ottengono resistenze elevate. L'effetto GMR consente di rilevare l'intensità del campo magnetico esterno attraverso la resistenza offerta tra i materiali del sistema magnetico. Un sistema basato su questo effetto è realizzato attraverso una prestabilita sequenza di strati sottilissimi (anche degli ordini degli Armstrong) di materiali magnetici e non magnetici. La combinazione dei vari strati è sensibile alla presenza dei campi magnetici, infatti, anche piccole variazioni del campo magnetico possono dare luogo a enormi differenze di resistenza elettrica.

Il comportamento di un sensore GMR è dovuto all'effetto fisico basato sullo spin degli elettroni. Nelle magnetoresistenze, la velocità di spostamento degli elettroni aumenta o diminuisce in funzione dello stato di spin degli elettroni e l’orientamento magnetico del mezzo in cui gli elettroni viaggiano.

Si definisce spin (o numero quantico) una grandezza della meccanica quantistica associata alle particelle, che definisce lo stato quantico.

Lo spin ha l'entità fisica e le dimensioni del momento angolare, in quanto è definita come la rotazione della particella intorno al proprio asse (in analogia al momento angolare intrinseco).

Figura 2. Numeri quantici dell'elettrone

Ciò che vi ho appena detto è una semplificazione molto spinta del concetto di spin, in quanto la teoria del momento angolare non è del tutto applicabile. Ma lo spin assume un ruolo di primaria importanza nella scoperta dell'effetto GMR, in quanto da tale scoperta si forma man mano la Spintronica, ossia l'elettronica associata proprio agli spin.

Cos'è la Spintronica?

La Spintronica è la scienza che studia le strutture elettroniche di vari materiali e dunque gli spin di questi e il fenomeno di scattering. Il risultato di questa scienza è l'integrazione del magnetismo e dell'elettronica a favore della tecnologia dell'informazione, in particolare per la memorizzazione, in quanto lo spin degli elettroni può avere solo due configurazioni riconducibili facilmente al codice binario. La Spintronica risponde alla più spinta esigenza del settore che è la miniaturizzazione grazie all'uso delle nanotecnologie. Oltre alle applicazioni nel settore dell'informazione, la Spintronica consente anche la microscopia a forza magnetica per ottenere "immagini" delle strutture a domini. [...]

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2 Commenti

  1. Andrea Garrapa 11 Gennaio 2021
  2. William 17 Gennaio 2021

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