Giant Magnetic Resistive
พรเทพ นิศามณีพงษ์ *

ปรากฏการณ์ Giant Magneto-resistive (GMR) เป็นผลทางกลศาสตร์ควอนตัมซึ่งถูกพบในโครงสร้างประกอบของฟิล์มบางของ โลหะที่เป็นสารเฟร์โรแมกเนติกและสารโลหะที่ไม่เป็นแม่เหล็ก (nonmagnetic metal) โดยที่ชั้นของสารทั้งสองชนิดวางซ้อนสลับ กันไปเป็นชั้นๆคล้ายกับขนมชั้น   ลักษณะเด่นที่พบก็คือการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานทางไฟฟ้าที่ตอบสนองต่อสนามแม่เหล็ก ภายนอก  ซึ่งความต้านทานจะมีค่ามากที่สุดเมื่อ สถานะสปินในชั้นแม่เหล็กเฟร์โรมีทิศสวนกัน กล่าวคือเกิด anti-ferromagnetic coupling ระหว่างชั้น  และจะมีความต้านทานน้อยที่สุดเมื่อสถานะสปินในชั้นแม่เหล็ก เฟร์โรมีทิศขนานกัน  การค้นพบนี้นำไปสู่การพัฒนาทางด้าน เทคโนโลยีที่สำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในส่วนฮาร์ดดิสก์ (hard disk) ที่ใช้ในคอมพิวเตอร์

GMR ถูกพบครั้งแรกในปี ค.ศ. 1988 ในระบบของชั้นฟิล์มบางโครเมี่ยมที่ถูกประกบด้วยชั้นฟิล์มบางของเหล็กแบบ  เหล็ก/โครเมี่ยม /เหล็ก  (Fe/Cr/Fe)  โดย   Peter Gr?nberg ที่ J?lich Research Centre และกลุ่มของ Albert Fert ที่ University of Paris-Sud  ประเทศฝรั่งเศส   การค้นพบดังกล่าวนับว่าเป็นการค้นพบที่สำคัญเนื่องจากมีผลกระทบต่อการพัฒนาเทคโนโลยีอย่างมาก  ทำให้ทั้งคู่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์จากผลงานนี้ในปี ค.ศ. 2007

ชั้นประกอบฟิล์มบางของ Fe/Cr/Fe มีขนาดความหนาในเรือนของนาโนเมตรเท่านั้น (1 นาโนเมตร = 10-9 เมตร หรือ หนึ่งในพันล้านเมตร) ความแตกต่างของความต้านที่เกิดขึ้นระหว่างสถานะสปินขนาน (parallel spin state) และ สถานะสปินสวนทิศ (anti-parallel spin state) มีค่าประมาณ 20% - 30% ดังแสดงในรูปที่ 1

[Co(11?)/Cu(9?)]x100

รูปที่ 1 รูปแสดงเปอร์เซนต์การเปลี่ยนแปลงของค่า resistivity ()ในระบบโคบอลท์ /ทองแดง (Co/Cu)   เปรียบเทียบระหว่างสถานะสปินขนาน (l) กับสถานะสปินสวนทาง (n) ที่ตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กในระบบโคบอลท์ /ทองแดง  ในรูปนี้แสดงให้เห็นว่า ค่า ของสถานะสปินสวนทางมีค่ามากกว่าสถานะสปินขนานอย่างมีนัยสำคัญ  ในแง่ของอุตสาหกรรมแล้ว ระบบ Co/Cu มีคุณสมบัติดีกว่าระบบ Fe/Crที่ค้นพบในตอนแรก

                ความแตกต่างของความต้านทานระหว่างสองสถานะสปินสามารถอุปมาอุปมัยได้กับการโพลาไรเซชั่นของแสง  กล่าวคือถ้าแสงที่ส่องกระทบกับตัวกลางมีโพลาไรเซชั่นขนานกัน แสงก็จะได้รับอนุญาติให้ผ่านไปได้ร้อยเปอร์เซนต์  แต่จะไม่สามารถทะลุผ่านตัวกลางนั้นได้ถ้าระนาบโพลาไรเซชั่นของแสงตั้งฉากกับระนาบโพราไรเซชั่นของตัวกลาง  ซึ่งคล้ายกับกรณีของตัวกลางที่เป็นสารเฟร์โรแมกเนติกส์  อิเล็กตรอนจะวิ่งผ่านตัวกลางได้อย่างอิสระถ้ามันมีสถานะสปินขนานกับ ตัวกลาง และจะวิ่งผ่านไปได้ยากเมื่อสถานะสปินของอิเล็กตรอนสวนทางกับสถานะสปินของตัวกลาง

รูปที่ 2(ก )                                         รูปที่ 2(ข)

รูปที่ 2 แสดงการถูกกระเจิงของอิเล็กตรอนเมื่อวิ่งผ่านเข้าไปในตัวกลางที่มีโครงสร้างสถานะสปินขนาน (ก) เปรียบเทียบกับโครงสร้างสถานะสปินสวนทาง (ข)  จะเห็นได้ว่าโดยรวมแล้วอิเล็กตรอนถูกกระเจิงมากกว่าในโครงสร้างสปินสวน ทาง  ซึ่งทำให้ความต้านทานในโครงสร้างสปินสวนทางมีค่ามากกว่าในโครงสร้างสปินขนาน  ตามรูปช่องว่างตรงกลางคือฟิล์มบางของโลหะที่ไม่เป็นแม่เหล็ก(non-ferromagnetic metal thin film) ซึ่งถูกประกบด้วยชั้นฟิล์มบางของสารแม่เหล็กเฟร์โร(ferromagnetic thin film)

               
แนวคิดพื้นฐานของ GMR ก็คือการใช้ สถานะสปินซึ่งเป็นคุณสมบัติเชิงควอนตัมของอิเล็กตรอน ในการควบคุมการเคลื่อนที่ของ อิเล็กตรอน  โดยทั่วไปแล้วอิเล็กตรอนมีสองสถานะสปิน คือสปิน-ขึ้น (spin-up)และสปิน-ลง(spin-down)   ในสารโลหะที่ไม่เป็นแม่เหล็กสปิน-ขึ้นและสปิน-ลงของอิเล็กตรอนตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กแบบเดียวกัน  แต่ตอบสนองต่างกันในสารโลหะแม่เหล็ก (magnetic metal) อย่างไรก็ตามเราไม่สามารถวัดกระแสที่เกิดขึ้นจากอิเล็กตรอนสปิน-ขึ้นและสปิน-ลงแยกกัน  อะไรที่เราวัดคือผลรวมของทั้งสอง   ผลของสถานะสปินของอิเล็กตรอนที่มีต่อสารโลหะแม่เหล็ก ก็คือ อิเล็กตรอนที่มีสถานะสปินขนานกับสถานะสปินในสารโลหะแม่เหล็กจะสามารถเดินทางผ่านทะลุได้อย่างอิสระ  ในขณะที่อิเล็กตรอนที่มีสถานะสปินสวนทางกับสถานะสปินในสารโลหะแม่เหล็กจะถูกกระเจิงออกไป  ด้วยพฤติกรรมดังกล่าวนี้เอง ทำให้ อิเล็กตรอนในรูปที่ 2(ก) จึงพานพบกับความต้านทานน้อยกว่าอิเล็กตรอนในรูปที่ 2(ข)
โดยฟิสิกส์ที่ลึกขึ้น(ระดับปี3 ปริญญาตรีฟิสิกส์ ขึ้นไป  ที่เรียนควอนตัมฟิสิกส์)  อะไรที่เกิดขึ้นก็คือโครงสร้างแถบ(band structure) ในระบบเฟร์โรแมกเน็ตมีการแลกเปลี่ยนการแยกของแถบพลังงาน  อันเป็นผลทำให้ความหนาแน่นของสถานะ(density of state) ระหว่างสถานะสปินอิเล็กตรอนขึ้น(electron spin-up state)และ สถานะสปินอิเล็กตรอนลง(electron spin-down state)มีค่าต่างกันที่ระดับเฟอร์มี (Fermi level)   จาก Fermi ‘s Golden rule ซึ่งกล่าวว่าอัตราการกระเจิง (scattering rate)เป็นปฏิภาคโดยตรงกับสถานะความหนาแน่นของสถานะอิเล็กตรอนที่ถูกกระเจิงเข้าไปในระดับเฟอร์มี ดังนั้นอัตราการกระเจิงของอิเล็กตรอนจึงมีค่าต่างกันในสถานะสปินที่ต่างกัน  พฤติกรรมการกระเจิงของอิเล็กตรอนที่ใช้ในการบรรยายความต้านทานไฟฟ้าในระดับจุลภาคนี้ถูกเสนอโดย เซอร์ เนวิล มอทท์ (Sir Nevill Mott)ในปีค.ศ. 1936 เพื่ออธิบายการลดลงของค่า resistivity (สภาพต้านทาน) อย่างฉับพลันในสารโลหะแม่เหล็กเฟร์โร (Ferromagnetic metal) เมื่อเราลดอุณหภูมิลงผ่านจุด Curie

เราวัดค่า GMR จากความแตกต่างของมุมระหว่างค่าแมกนิไทเซชั่น (magnetization)ในชั้นแม่เหล็ก (magnetic layer)  มุมเล็กจะพบในโครงสร้างขนาน (parallel alignment)ซึ่งจะให้ความต้านทานต่ำ ในขณะที่มุมโตซึ่งพบในโครงสร้างสวนทาง (anti-parallel alignment) จะให้ความต้านทานที่สูง ในทางปฏิบัติเราสามารถสร้างชั้นแม่เหล็กที่มีโครงสร้างขนานได้โดยไม่ยาก  โดยการประยุกต์สนามภายนอกที่แรงพอจนทำให้แมกนิไทเซชั่นเกิดการอิ่มตัว  สำหรับกรณีของโครงสร้างสวนทางนั้นวิธีการไม่ตรงไปตรงมาเท่าไร อย่างไรก็ตามเราสามารถสร้างโครงสร้างสวนทางโดยอาศัยหลักการพื้นฐานสามอย่างด้วยกัน คือ

เมื่อช่องว่างระว่างชั้นสารเฟร์โรแมกเนติกถูกลดลงในเรือนของนาโนเมตร ค่าแมกนิไทเซชั่น(magnetization) ในชั้นทั้งสองมีแนวโน้มที่จะมีทิศสวนทางเพื่อทำให้ระบบมีพลังงานต่ำที่สุด โดยการประยุกต์สนามแม่เหล็กภายนอกเข้าไป เราจะสามารถสร้างระบบโครงสร้างสวนทางได้ โดยหลักการแล้วเราสามารถสร้าง multi-layered structure ที่เรียกกันว่า superlattices .

Coercivity คือ สภาพลบล้างทางแม่เหล็กที่ทนทานต่อสนามแม่เหล็กภายนอก  โดยการเลือกสารแม่เหล็กเฟร์โรในแต่ละชั้นฟิล์มบาง ที่มีค่า coercivity ต่างกันจะทำให้สถานะสปินตอบสนองต่อสนามภายนอกต่างกัน ดังนั้นเมื่อเรากลับทิศสนามแม่เหล็ก  ด้านที่มี coercivity สูงจะยังคงรักษาทิศของสถานะสปินในขณะที่ด้านที่มี coercivity ต่ำจะกลับทิศของสถานะสปินแม่เหล็กในทิศตรงข้าม   ทำให้เราได้สถานะสปินสวนทางกัน

โครงสร้างของ spin-valves ประกอบไปด้วยชั้นฟิล์มบางต่างๆ ดังแสดงเป็นแผนภาพง่ายๆใน รูปที่ 3

รูปที่  3 โครงสร้าง spin-valves ประกอบขึ้นจากชั้นของฟิล์มบางต่างๆ โดยที่ Pinning layer เป็นชั้นที่มี coercivity สูง ในขณะที่ชั้น Free layerจะมีค่า coercivity ค่อนข้างต่ำ   Active region ในรูปคือบริเวณที่เกิด GMR คือ ชั้น Co/Cu/NiFe แต่ละชั้นมีความหนาประมาณ 2-3 นาโนเมตร
       
ฟิล์มบางแต่ละชั้นซึ่งเป็นธาตุหลายชนิดถูกอัดเข้าด้วยกันโดย เทคนิคMBE (Molecular Beam Epitaxy) ในรูปที่ 3 นี้ Ta ทำหน้าที่เป็นตัวปิดหัวปิดท้ายโดยมี Si ทำหน้าที่เป็น substrate  Pinning layer คือชั้นของโลหะผสมของโลหะเหล็ก-แมงกานิส( Fe / Mn) และ สารแม่เหล็กเฟร์โรของธาตุโคบอลท์ (Co) เป็นชั้นที่มี ค่า coercivity สูง กล่าวคือมีค่าแมกนิไทเซชั่นที่มีความคงทนต่อสนามแม่เหล็กภายนอก ในขณะที่ชั้นของโลหะผสมของนิเกิล-เหล็ก( NiFe) เป็นชั้น Free layer ซึ่งมีค่า coercivity ต่ำและสามารถกลับทิศของสถานะสปินแม่เหล็กได้โดยง่าย   ในขณะที่ ชั้นของทองแดง(Cu) เป็น coupling region ซึ่งทำหน้าที่ couple สถานะสปินระหว่างชั้น Pinning layer และ Free layer  โดยโครงสร้างดังกล่าวนี้จะทำให้เราสามารถสร้างโครงสร้างสปินขนานและโครงสร้างสปินสวนทาง ดังที่กล่าวตอนต้น ได้โดยง่าย  Active region หรือบริเวณที่เกิด GMR คือบริเวณชั้น Co / Cu / NiFe  ชั้นฟิล์มบางของ Co ที่ทำหน้าที่เป็นตัวตรึงแมกนิไทเซชั่น  ทำให้บริเวณ Pinning layer มีความแกร่งสามารถต้านทานสนามแม่เหล็กภายนอก  กล่าวคือระบบดังกล่าวจะมี local magnetic field เกิดขึ้นในทิศทางที่ถูกตรึงโดยปราศจากสนามแม่เหล็กภายนอก

ระบบของ spin-valves ที่กล่าวถึงนี้ถูกสร้างขึ้นโดย Stuart Parkin ผู้ซึ่งเป็นหัวหน้าหน่วยวิจัยเรื่อง GMR ของ IBM   Parkinได้รับรางวัลหลายรางวัลร่วมกับ Peter Gr?nberg และ Albert Fert  (ยกเว้นรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปีนี้) อาทิเช่น European Physical Society Prize, Hewlett-Packard Europhysicsเป็นต้น  เมื่อย้อนกลับไปเมื่อราว 9 ปีที่แล้วเมื่อผลงานของ Gr?nberg และ Fert ถูกตีพิมพ์ออกมา ในตอนนั้นไม่มีใครเชื่อว่าสิ่งที่ค้นพบนั้นเป็นจริงและไม่ค่อยมีใครให้ความสนใจเท่าไรนัก ในขณะที่ Parkin เห็นถึงผลกระทบอย่างใหญ่หลวงที่มีต่อการพัฒนาการเทคโนโลยี  เขาจึงได้ทำเรื่องเสนอของงบจาก IBM เพื่อทำการสร้างระบบที่ Gr?nberg และ Fert ได้ค้นพบ  ผลก็คือเป็นไปตามที่นักฟิสิกส์รางวัลโนเบลปี 2007 ตีพิมพ์ในผลงาน  ขั้นตอนต่อไปก็คือการสังเคราะห์โครงสร้างดังกล่าวขึ้นมา  โครงสร้างที่สังเคราะห์ขึ้นมานี้ต้องอาศัยความเข้าใจทางฟิสิกส์มากขึ้น  อีกทั้งต้องมีคุณสมบัติที่สามารถนำไปพัฒนาประยุกต์ใช้ในเทคโนโลยี  ในเวลาต่อมา GMR ก็ได้กลายเป็นหัวข้อที่สำคัญและได้มีนักฟิสิกส์จำนวนมากให้ความสนใจ  จนกระทั่งในปีนี้เองคือ ปี 2007  Parkin ก็สามารถสังเคราะห์โครงสร้างของ spin-valves สำเร็จ 

ผลกระทบทางด้านอุตสาหกรรมที่สำคัญก็คืออุตสาห-กรรมการผลิตฮาร์ดดิสก์  เนื่องจากเราสามารถที่จะผลิต ฮาร์ดดิสก์ที่มีขนาดเล็กลงและมีความจุของหน่วยความจำเพิ่มขึ้นอย่างมหาศาล  ด้วยคุณสมบัติของ GMR นี้จะทำให้เราสามารถผลิตหน่วยความจำที่มีความจุ 10 gigabit ต่อตารางนิ้ว  นั่นคือด้วย ฮาร์ดดิสก์ขนาด 3.5 นิ้ว เราสามารถผลิตความจำได้ถึง 120 พันล้านบิทส์ นั่นคือเราสามารถเก็บ Encyclopedia ชุดละ 30 เล่มได้ถึง 1,000 ชุด  นอกจากนี้ GMR ยังมีส่วนช่วยในการพัฒนา RAM (Random Access Memory)  RAM ที่ใช้ในปัจจุบันทำมาจากสารกึ่งตัวนำ(semi-conductor)  ข้อมูลจะถูกเก็บในบริเวณเล็กๆที่อาจจะมีอิเล็กตรอนเกิน (excess electron) หรือไม่ก็อิเล็กตรอนขาด (deficit electron)  ข้อด้อยของ RAM ที่ทำจากสารกึ่งตัวนำ ก็คือ ทุกครั้งที่ประจุรั่วออกไป ข้อมูลจะต้องถูก refresh หลายครั้งต่อวินาทีในวงจรไฟฟ้า  ดังนั้นถ้าไฟฟ้าเกิดดับขึ้นมาก่อนที่ข้อมูลจะถูกบันทึกลงไปในฮาร์ดดิสก์ก็จะทำให้เราสูญเสียข้อมูลนั้นไป  ข้อด้อยอีกอย่างก็คือ ionizing radiation ที่เกิดขึ้นจะค่อยๆทำให้ semi-conductor chip เสื่อมสภาพและพังไปในที่สุด  ซึ่งก็ทำให้เราสูญเสียข้อมูลนั้นไป  แต่ถ้าเราใช้ GMR สร้าง RAM ขึ้นมาจากชั้นของฟิล์มบางของสารโลหะแม่เหล็กเฟร์โร และ สารโลหะไม่เป็นแม่เหล็ก  หรือที่มีชื่อว่า MRAM ก็จะเพิ่มประสิทธิภาพในแง่ของความเร็วและปัญหาที่เกิดขึ้นใน  semi-conductor RAM ก็ไม่เกิดขึ้นอีกด้วย และ MRAM ยังสามารถทำงานต่อไปได้เมื่อเกิดไฟดับ  อีกทั้งผลของ ionization radiation ยังไม่กระทบต่อการทำงานของ MRAM สมบัติอันนี้นับว่าสำคัญมากสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ในอวกาศหรือว่าในกองทัพ และที่สำคัญก็คือ MRAM นี้ยังมีราคาถูกลงอีกด้วย 

บทบาทของ GMR จึงนับว่ามีผลกระทบอย่างใหญ่หลวงต่อวิวัฒนาการเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์และการสื่อสาร  ซึ่งทำให้เราสามารถย่อขนาดของโลกดิจิตอล( digital) ให้เล็กลง, ราคาถูกลงและมีประสิทธิภาพมากขึ้น  นอกจากนี้ GMR ยังมีบทบาทสำคัญต่อการพัฒนา magnetic sensor ที่ตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กที่มีพลังอ่อน  ซึ่งสามารถนำไปพัฒนาและประยุกต์ในโลกของอุตสาหกรรม, การค้าและการทหาร

เอกสารอ้างอิง : เพื่อศึกษาพื้นฐานและแนวคิดของ GMR
M. N. Baibich , J. M. Broto, A. Fert, F. Nguyen Van Dau, F. Petroff, P. Eitenne, G. Creuzet, A. Friederich, and J. Chazelas (1988). "Giant Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic Superlattices". Physical Review Letters 61 (21): 2472 - 2475. DOI:10.1103/PhysRevLett.61.2472. 
G. Binasch, P. Gr?nberg, F. Saurenbach, and W. Zinn (1989). "Enhanced magnetoresistance in layered magnetic structures with antiferromagnetic interlayer exchange". Physical Review B 39 (7): 4828 - 4830. DOI:10.1103/PhysRevB.39.4828. 
L. L. Hinchey and D. L. Mills (1986). "Magnetic properties of superlattices formed from ferromagnetic and antiferromagnetic materials". Physical Review B 33 (5): 3329 - 3343. DOI:10.1103/PhysRevB.33.3329. 
P. Gr?nberg, R. Schreiber, Y. Pang, M. B. Brodsky, and H. Sowers (1986). "Layered Magnetic Structures: Evidence for Antiferromagnetic Coupling of Fe Layers across Cr Interlayers". Physical Review Letters 57 (19): 2442 - 2445. DOI:10.1103/PhysRevLett.57.2442. 
C. Carbone and S. F. Alvarado (1987). "Antiparallel coupling between Fe layers separated by a Cr interlayer: Dependence of the magnetization on the film thickness". Physical Review B 36 (4): 2433. DOI:10.1103/PhysRevB.36.2433