Tunelový magnetický odpor, tunelová magnetorezistence nebo magnetorezistence (zkr. TMS , angl. Tunnel magnetoresistance , zkr. TMR) je kvantově mechanický jev, který se projevuje při protékání proudu mezi dvěma vrstvami feromagnetik oddělenými tenkou (asi 1 nm ) dielektrickou vrstvou . Celkový odpor zařízení, kterým protéká proud tunelovým efektem , závisí v tomto případě na vzájemné orientaci magnetizačních polí dvou magnetických vrstev. Odpor je vyšší pro antiparalelní magnetizaci vrstev. Tunelový reluktanční efekt je podobný obřímu reluktančnímu efektu , ale místo nemagnetické kovové vrstvy využívá vrstvu izolační tunelové bariéry.
Tento efekt objevil v roce 1975 Michel Julière pomocí železa jako feromagnetika a oxidu germania jako dielektrika ( struktura Fe / GeO / Co ). Tento efekt se projevil při teplotě 4,2 K , přičemž relativní změna odporu byla asi 14 %, proto vzhledem k nedostatku praktické aplikace nevzbudil pozornost [1] .
Při pokojové teplotě tento efekt poprvé objevil v roce 1991 Terunobu Miyazaki ( Tohoku University , Japonsko ), změna odporu byla pouze 2,7 %. Později, v roce 1994 , Miyazaki poprvé objevil v přechodu Fe/ Al 2 O 3 /Fe poměr magnetorezistence 30 % při 4,2 K a 18 % při 300 K [2] . Nezávisle na něm skupina vědců vedená Jagadishem Muderou zjistila účinek 11,8 % ve sloučeninách CoFe a Co [3] , v souvislosti s obnoveným zájmem o výzkum v této oblasti po objevu obřího efektu magnetického odporu . Největší účinek pozorovaný v té době u izolátorů z oxidu hlinitého byl asi 70 % při pokojové teplotě.
V roce 2001 Butlerova skupina a Matonova skupina nezávisle učinily teoretickou předpověď, že použitím železa jako feromagnetika a oxidu hořečnatého jako dielektrika by se účinek tunelového magnetického odporu mohl zvýšit o několik tisíc procent. Ve stejném roce Bowen et al., jako první uvedli experimenty ukazující významnou tunelovou magnetorezistenci v tunelovém spojení MgO (Fe/MgO/FeCo) [4] .
V roce 2004 byly Perkinova skupina a Yuasova skupina schopny vyrobit zařízení na bázi Fe/MgO/Fe a dosáhnout tunelové magnetorezistence 200 % při pokojové teplotě [5] .
V roce 2007 zařízení TMR s oxidem hořečnatým zcela nahradila obří reluktanční zařízení na trhu magnetických úložišť .
V roce 2008 S. Ikeda, H. Ono a kol. z Tohoku University v Japonsku pozorovali vliv relativní změny odporu až o 604 % při pokojové teplotě a více než 1100 % při 4,2 K u sloučenin CoFeB/MgO/CoFeB [6] .
V klasické fyzice , pokud je energie částice menší než výška bariéry, pak se zcela odráží od bariéry. Naopak v kvantové mechanice je nenulová pravděpodobnost nalezení částice na druhé straně bariéry. Ve struktuře feromagnet - izolátor - feromagnet pro elektron s energií ε F je izolantem bariéra o tloušťce da výšce ε В > ε F .
Uvažujme pásovou strukturu magnetických ( Co , Fe , Ni ) kovů. Přechodné kovy mají valenční elektrony 4s, 4p a 3d, které se liší orbitální hybností. Stavy 4s a 4p tvoří sp- vodivé pásmo , ve kterém mají elektrony vysokou rychlost, nízkou hustotu stavů a v důsledku toho dlouhou střední volnou dráhu , to znamená, že lze předpokládat, že jsou zodpovědné za vodivost 3D kovy. Pás d se zároveň vyznačuje vysokou hustotou stavů a nízkou rychlostí elektronů.
Jak je známo, ve feromagnetických 3D kovech je d-pásmo rozděleno v důsledku výměnné interakce . V souladu s Pauliho principem je pro ně vzhledem k Coulombovu odpuzování d elektronů energeticky výhodnější mít paralelně orientované spiny, což vede ke vzniku spontánního magnetického momentu. Jinými slovy, v důsledku výměnného rozdělení pásma d je počet obsazených stavů u elektronů se spiny nahoru a dolů odlišný, což dává nenulový magnetický moment.
Při absenci magnetického pole mají feromagnetické elektrony opačný směr magnetizace (antiparalelní konfigurace, AP). Pás d-elektronů je rozdělen výměnnou interakcí, jak je znázorněno na obrázku. V tomto případě elektrony se spin up tunelují z většího počtu stavů do menšího a naopak u elektronů s opačným spinem. Uložení magnetického pole vede k paralelní orientaci (P) magnetizace feromagnetických elektrod. V tomto případě spin-up elektrony tunelují z většího počtu stavů do více stavů a spin-down elektrony tunelují z malého počtu stavů do malého. To má za následek rozdíl v odporech tunelu pro paralelní a antiparalelní konfigurace. Tato změna odporu při přeorientování magnetizace ve vnějším magnetickém poli je projevem tunelové magnetorezistence (TMR).
V současné době byla magnetorezistivní paměť s přímým přístupem ( MRAM ) vytvořena na základě efektu tunelování magnetického odporu a používá se také ve čtecích hlavách pevných disků .