トンネル磁気抵抗効果

トンネル磁気抵抗効果

トンネル磁気抵抗効果（TMR）は、磁気トンネル接合（MTJ）素子において見られる現象で、二つの強磁性体層の磁化方向により電気抵抗が変化します。この効果は、強磁性体のスピン偏極によるもので、トンネル電流の流れ方が磁化の配置に依存します。具体的には、両層の磁化が平行な状態では抵抗が低く、反平行な状態になると抵抗が高くなります。

原理

MTJ素子は、薄い絶縁体層を挟んで強磁性層が配置されています。絶縁層を通じて電流が流れる際、スピン偏極した電子の状態が異なるため、トンネルコンダクタンスも磁化の方向によって変化します。

この現象を説明する際、トンネルコンダクタンスはアップスピンとダウンスピン電子の状態密度に依存することが重要です。平行状態では電子が容易に流れ込むことができるため、低い抵抗が得られますが、反平行状態では電子の流れが妨げられるため、高い抵抗が生じます。これにより、TMR効果が発生し、トンネル磁気抵抗比（TMR比）でその大きさを定量化できます。

TMR比の算出

TMR比は、反平行状態での抵抗と平行状態での抵抗の比として表されます。具体的には、

$$ TMR_{ratio} = \frac{R_{AP} - R_{P}}{R_{P}} $$

ここで、$R_{AP}$は反平行時の抵抗、$R_{P}$は平行時の抵抗を示します。これにより、TMR効果がどれほど顕著であるかを測定できます。

実用化と応用

TMR素子は、多くの記憶装置に応用されています。特に、MRAM（磁気抵抗型RAM）やハードディスクドライブ（HDD）の技術に重要な影響を与えています。MRAMでは、小型デバイスの商用化が進んでおり、HDDにおいては、従来のGMR技術からTMR技術への移行が進められています。

また、TMR素子は心電計や心磁計などの医療機器にも利用されており、従来の超伝導量子干渉素子（SQUID）の冷却が不要なため、実用化の可能性が広がっています。

研究の歴史

TMRの初めての発見は1975年で、その後、様々な材料を用いた研究が進行しました。2004年には、MgO単結晶を使用することで、理論的限界を超えるTMR比が得られ、以降も研究が続いています。2015年には、東北大学がTMR素子で心臓磁場の検出に成功し、TMRの応用範囲がますます広がっています。

TMR効果は、トンネル電流の特性を利用したメモリーデバイスの新たな可能性を切り開いており、今後の研究開発においても重要なテーマであり続けるでしょう。また、医療分野での応用も含め、様々な分野での進展が期待されています。

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