Der magnetische Tunnelwiderstand (englisch tunnel magnetoresistance, TMR) oder TMR-Effekt ist ein magnetoresistiver Effekt, der in magnetischen Tunnelkontakten verwendet wird und Teil der Magnetoelektronik. Der TMR-Effekt ist mit Hilfe der klassischen Physik nicht erklärbar und ist ein quantenmechanisches Phänomen.
Entdeckt wurde der Effekt 1975 von M. Jullière (Universität Rennes, Frankreich) in Fe/Ge-O/Co-Kontakten bei 4,2 K.[1] Da die relative Widerstandsänderung bei Raumtemperatur unter 1 % war, fand die Entdeckung zunächst wenig Beachtung. 1991 fand Terunobu Miyazaki (Universität Tohoku, Japan) einen Effekt von 2,7 % bei Raumtemperatur und 1994 einen „Riesen-TMR-Effekt“ von 18 % bei Raumtemperatur (Eisenschichten getrennt durch einen amorphen Aluminiumoxid-Isolator).[2] Die höchsten bisher beobachteten Effekte bei Kontakten auf Aluminiumoxid-Basis lagen bei 70 % bei Raumtemperatur. Bei Tunnelbarrieren aus Magnesiumoxid (MgO) bis zu 600 % bei Raumtemperatur und bei 4,2 K sogar über 1100 %.
Die relative Widerstandsänderung, oder auch die Effektamplitude, ist definiert als
worin
Der TMR-Effekt wurde von Jullière auf die Spinpolarisation der einzelnen ferromagnetischen Elektroden eines magnetischen Tunnelkontaktes zurückgeführt. Die Spinpolarisation
Die spin-up Elektronen sind dabei diejenigen, deren Spin-Ausrichtung parallel zur Magnetisierung liegt, die Spin-down-Elektronen sind jene mit antiparalleler Spin-Ausrichtung. Die relative Widerstandsänderung ergibt sich nun aus den Spinpolarisationen der beiden Ferromagnete,
Wird keine Spannung an die Elektroden angelegt, tunneln Elektronen in beide Richtungen mit gleichen Raten. Legt man eine Spannung
Um einen definierten antiparallelen Zustand zu erhalten gibt es zwei Möglichkeiten. Einerseits kann man ferromagnetische Elektroden mit unterschiedlichen Koerzitivfeldstärken (durch unterschiedliche Materialien oder unterschiedliche Schichtdicken) einsetzen. Andererseits kann eine der beiden Schichten mit einem Antiferromagneten gekoppelt werden (engl.: exchange bias). In diesem Fall bleibt die Magnetisierung der ungekoppelten Elektrode „frei“.
Der TMR nimmt sowohl mit zunehmender Temperatur wie auch mit zunehmender Spannung ab. Beides kann prinzipiell durch Magnonanregung bzw. Wechselwirkung mit Magnonen verstanden werden.
Offensichtlich gilt, dass der TMR unendlich wird, falls
Tunnelbarrieren aus MgO nehmen eine Sonderrolle ein. Falls die Grenzflächen zwischen den Ferromagneten und dem MgO epitaktisch sind, die Kristallgitter also versetzungsfrei aufeinander passen, können zusätzliche Filterungseffekte auftreten. Dabei werden Elektronen mit bestimmter Orbitalsymmetrie unterdrückt, während andere nahezu ungehindert tunneln können. Die Elektronen, die dann fast ungehindert passieren können, entstammen Bändern, die eine besonders hohe Polarisation aufweisen.