発表者
入江　裕尚（鈴木･草部研）

指導教官
草部　浩一

Title
Spin-dependent tunneling conductance of Fe|MgO|Fe sandwiches
Abstract

Magnetic tunnel junctions (MTJs) consisting of two ferromagnetic electrode layers separated by an ultrathin insulating layer (a tunneling barrier) , exhibit magnetoresistance (MR) at room temperature (RT). This phenomenon, known as the tunneling MR (TMR) effect, has been extensively studied in an attempt to develop magnetic sensor for hard disk drives (HDD) and magnetoresistive random access memory (MRAM). Although an amorphous Al-O tunneling barrier has been mainly used in device applications in the last decade, a crystalline MgO(001) barrier is now considered as a key for next-generation device applications because of its giant TMR effect at RT. The authors presented first-principles based calculations of electric structure, the tunneling conductance and magnetoresistance of Fe/MgO/Fe, and predicted that one could get over 1000% MR ratio in the junction of Fe(001) direction. The symmetry of the propagating states in the electrodes and that of the evanescent state in the barrier material are crucial to determining the tunneling conductance. The conductance is primarily via Bloch electorns with small transverse momentum. One particular state with the Δ1 symmetry is able to propagate efficiently from the Fe into the MgO and also out of the MgO into the Fe electrode on the other side. And, the Δ1 state is completely spin-polarized at the Fermi level. Therefore, we can predict that a giant TMR effect appears theoretically.

概要

　 2つの強磁性電極の間に薄い絶縁膜(トンネル障壁)をはさんだ磁気トンネル接合(MTJ)は室温で磁気抵抗(MR)を示します。この現象はトンネル磁気抵抗(TMR)効果 として知られていて、ハードディスク(HDD)の磁気センサーや、MRAMの開発に広く研究されています。今まではアモルファスのAl-O障壁が主にデバイス応用に 使われてきましたが、今はMgO(100)の結晶障壁が、その室温での巨大TMR効果により、次世代デバイスへの応用の鍵と考えられています。 筆者らは第一原理計算によりFe/MgO/Feの電子状態とトンネルコンダクタンスと磁気コンダクタンスを求め、Fe(001)配向の接合において1000%を超える 磁気抵抗比(MR比)が得られることを予測しました。電極の伝播状態の対称性と、絶縁体障壁の浸み出し電子状態の対称性が、トンネルコンダクタンスには重要です。 コンダクタンスは主に膜面垂直方向にトンネルするブロッホ電子を経由しています。その中でも特にΔ1状態が効率よくFeとMgOを通って、反対側の電極に伝播します。 そして、Δ1状態はフェルミ準位において完全にスピン分極しています。このため、巨大なTMR効果が起きることが理論的に予測されます。

Reference

W. H. Butler, X.-G. Zhang,T. C. Schulthess and J. M. MacLaren Phys. Rev. B 63, 054416 (2001)