F_06_magn (Лекции (Ляхова)), страница 4

Постоянное поле, ориентируя магнитные моменты, упорядочивает внутреннюю структуру материала, в том числе изменяет удельное электрическое сопротивление. Магнетики изменяют свое сопротивление при воздействии магнитного поля в результате

- переориентации магнитных диполей и, следовательно, изменения плотности и удельного сопротивления _B:

( _B - ₀ ) / ₀ = 3.03 ² B² ,

- изменения траектории линии тока в соответствии с эффектом Холла.

Магниторезистивное отношение N_R - отношение величин сопротивлений в магнитном поле (R_B) и без него (R₀): N_R = R_B / R₀ .

Магнитоуправляемые резисторы используются в качестве датчиков положения в магнитном поле (в том числе поле Земли), распознавания образа ферромагнитных объектов.

Рис. Магниторезистивный датчик из пленки пермаллоя и мостовая измерительная схема.

Внешнее магнитное поле поворачивает вектор намагниченности пленки на угол θ. При этом сопротивление датчика будет: R = R₀ + ΔR cos 2θ.

Гигантское магнитное сопротивление.

Помимо магниторезистивного эффекта, с помощью нанотехнологии возможна реализация «гигантского » магниторезистивного эффекта (ГМР эффекта). Магнитные моменты в трехслойной пленке могут быть параллельны (ферромагнитная [ФМ] конфигурация) или антипараллельны (антиферромагнитная [АФМ] конфигурация).

Рис. Многослойная структура, реализующая гигантское магнитосопротивление (направление спина обозначено синими и красными стрелками).

Если ориентация спина не совпадает с магнитным моментом слоя (АФМ-конфигурация), электрон не может попасть в этот слой, и электросопротивление становится больше. После перехода конфигурации из антиферромагнитной в ферромагнитную при возрастании внешнего магнитного поля электрон способен перескочить в смежный слой, и сопротивление значительно уменьшается. Этот эффект и называется гигантским магниторезистивным (ГМР).

Рис. Считывающая – записывающая головка, использующая ГМР датчики. Плотность записи не менее 100 ГГб/дюйм².

Магнитный туннельный переход.

Аналогичный спин - зависимый эффект наблюдается в структурах с магнитным туннельным переходом (Magnetic Tunnel Junction, MTJ) типа ферромагнетик - диэлектрик - ферромагнетик. Магнитный туннельный переход происходит в наноструктуре, состоящей из двух слоев ферромагнетика, разделенных изолятором (обычно это оксид алюминия Al₂O₃) толщиной менее 2 нм. Электрон может туннелировать через него. Для разных спинов вероятность их туннелирования будет отличаться. Если магнитные моменты смежных слоев направлены параллельно, проводимость магнитного туннельного перехода велика, а если намагниченности антипараллельны, то вероятность туннелирования мала, то есть электросопротивление большое. Таким образом, имеются условия для возникновения туннельного магниторезистивного эффекта (ГТМР). Максимальная величина ГТМР эффекта, наблюдаемого в таких структурах при комнатной температуре, составляет около 220%. Наноразмерные магнитные структуры с эффектами ГМР и ГТМР нашли применение в датчиках магнитного поля, считывающих головках жестких дисков и энергонезависимой магниторезистивной памяти

Магнитореологические композиции.

Магнитореологическая жидкость (МРЖ) - это суспензия мелкодисперсных ферромагнитных частиц в масле (коллоидные кластеры). Внешнее магнитное поле ориентирует частицы, увеличивая вязкость жидкости до значений, характерных для твердого состояния.

Рис. Структура магнитной жидкости вне (off) и в (on) магнитном поле.

МРЖ используются в демпферах механических колебаний оборудования с двигателями, сейсмических воздействий, затворах (вентилях), динамиках, полировочных устройствах

Магнитная жидкость используется в качестве защитного элемента. Она удерживается магнитным полем в кольцевом зазоре между вращающимся валом и неподвижным корпусом. Жидкость не пропускает частицы пыли внутрь дисковода.

Рис. Схема дисковода компьютера (магнитореологическая жидкость – черная, полюса магнита – красный и синий).

В отличие от обычных жидкостей, в МРЖ могут возникать объемные и поверхностные силы, крутящие моменты - в зависимости от поведения внешнего магнитного поля. Кластеры вовлекают в движение жидкость. Формируется управляемое гидромеханическое движение. В отсутствие гравитации, например, в космосе, можно с помощью МРЖ поддерживать конвекцию среды

Ферромагнитные частицы, будучи добавленными в резиноподобные полимеры, образуют магнитореологические эластомеры (МРЭ). В магнитном поле ориентирование частиц приводит к изменению размеров образца МРЭ, что может быть использовано в микроприводах.

СКВИД для магнитных исследований.

Сверхпроводящий квантовый интерференционный детектор (СКВИД), наряду с индикацией электрических сигналов и электромагнитных полей, реагирует на изменение напряженности магнитного поля. (Фаза  волны куперовской пары может быть изменена в том числе и магнитным полем, направленным вдоль плоскости джозефсоновского перехода перпендикулярно потоку туннелирующихся пар.) Зависимость тока в сверхпроводящем переходе Джозефсона от магнитного поля позволяет измерять очень слабые магнитные поля с B < 10^-11Тл (верхний предел). Это можно использовать в геофизике для прогнозирования землетрясений: магнитные поля пород, располагающихся по разломам земной коры, изменяются за несколько дней до землетрясения.

Этим же методом можно зафиксировать магнитные поля с В = 10^-12 Тл, создаваемые биотоками организма - магнитограммы. Биотоки внутренних органов сильнее, чем токи кожных покровов, поэтому последние их практически не экранируют. По сравнению с электрическими магнитные измерения не требуют контактов, поэтому не вносят искажений.

Чувствительность СКВИДов к слабым магнитным полям в широком диапазоне частот можно использовать в сканирующих магнитных микроскопах (СММ), которые позволяют с высоким пространственным разрешением регистрировать магнитные поля, генерируемые вихревыми токами, токами утечки в интегральных схемах или магнитотактильными бактериями. В магнитном микроскопе образец сканируется близко расположенным СКВИДом, в то время как компьютер регистрирует сигнал со СКВИДа в зависимости от его положения по отношению к образцу. Первые варианты магнитных микроскопов использовали СКВИДы на базе традиционных, низкотемпературных, сверхпроводников. Они работали при температуре жидкого гелия и предназначались для исследования образцов, так же находящихся при низкой температуре. Необходимость поддерживать СКВИД при гелиевой температуре сдерживала широкое применение СКВИД - микроскопов. Пользователи таких микроскопов испытывали значительные трудности с совмещением и позиционированием СКВИДа относительно образца, а также при загрузке и перезагрузке образцов. Использование высокотемпературных сверхпроводников делает. возможной работу устройства при температуре жидкого азота.