xiv
Contents
4 Tunnelling Magnetoresistance (TMR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.1
Introduction on Tunnelling Magnetoresistance . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.1.1 Introductory Note . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.1.2 What Is Magnetic Tunnel Junction (MTJ)? . . . . . . . . . . 103
4.1.3 What Is Tunnelling Magnetoresistance (TMR)? . . . . . . 103
4.2
Magnetic Junctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.2.1 Tunnel-Type Junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.2.2 Contact Type Junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.3
Physical Explanation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.3.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.3.2 Spin-Dependent Conductance of Charge Carriers . . . . . 107
4.3.3 Tunnelling Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.3.4 The Jullière Formula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.3.5 Simple Description of Tunnelling Phenomenon . . . . . . 115
4.4
Effect of Various Parameters on Tunnel Magnetoresistance . . . . 118
4.4.1 Effect of Paramagnetic Impurities at the Interface
on Magnetoresistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.4.2 Effect of Magnetic Excitations on the MR . . . . . . . . . . . 120
4.4.3 Effect of Magnetic Properties of the Interface
on MR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.4.4 Effect of Charging in Granular Systems on MR . . . . . . 120
4.5
Measurement of Spin Relaxation Length and Time
in the Spacer Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.6
Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.7
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5 Spin-Transfer Torque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.1
Introduction on Spin-Transfer Torque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.1.1 What Is Spin-Transfer Torque (STT)? . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.2
Spin-Transfer Torque in Ferromagnetic Layer Structures . . . . . . 128
5.2.1 Single Ferromagnetic (FM) Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.2.2 Double Ferromagnetic (FM) Layers . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.3
Spin-Transfer Torque (STT)-Driven Magnetization
Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.3.1 Magnetization Dynamics in Absence of STT . . . . . . . . 132
5.3.2 Magnetization Dynamics in Presence of STT . . . . . . . . 133
5.4
Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.4.1 Point Contact Device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.4.2 Multilayer Nanopillar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.5
Spin-Transfer Torque in Magnetic Multilayer Nanopillar . . . . . . 137
5.5.1 Spin-Transfer Torque Exerted in Metallic
Junctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.5.2 Spin-Transfer Torque Exerted in Magnetic
Tunnel Junctions (MTJs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140