Page 47 - Spin Transport and Spintronics

48

เมื่อกระแสสปินที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของตัวนำอิเล็กตรอนไหลผ่านไปยังชั้นวัสดุแม่เหล็กเฟอร์

โรชั้นแรกหรือชั้นพิน จะเกิดปฎิสัมพันธ์การแลกเปลี่ยน s−d ระหว่างแมกนีไทเซชันในชั้นวัสดุแม่เหล็ก
และสปินของตัวนำอิเล็กตรอน ทำให้กระแสสปินที่ไหลเข้าสู่ชั้นวัสดุแม่เหล็กเฟอร์โรมีแนวโน้มจัดเรียง

ตัวใหม่ไปตามทิศทางของแมกนีไทเซชัน ซึ่งเรียกกระแสสปินที่เกิดการจัดเรียงตัวไปในทิศทางใหม่ว่า

กระแสสปินโพลาไรซ์ (spin-polarized current) จากนั้นกระแสดังกล่าวจะเคลื่อนที่ผ่านบริเวณรอย
ต่อระหว่างชั้นพินและชั้นสเปสเซอร์ไปยังชั้นวัสดุแม่เหล็กเฟอร์โรชั้นที่สองหรือชั้นอิสระ ปฎิสัมพันธ์การ

แลกเปลี่ยน s−d ระหว่างแมกนีไทเซชันกับกระแสสปินโพลาไรซ์จะเกิดขึ้นอีกครั้งในชั้นอิสระ ส่งผล

ให้เกิดสปินทอร์คกระทำต่อกระแสสปินโพลาไรซ์และในขณะเดียวกันจะเกิดสปินทอร์คคู่กิริยากระทำ
ต่อแมกนีไทเซชันในชั้นอิสระ ซึ่งเป็นไปตามกฎการอนุรักษ์พลังงานของโมเมนตัมเชิงมุม โดยขนาดของ

แรงบิดสปินหรือสปินทอร์คที่กระทำต่อแมกนีไทเซชันจะแปรผันตรงกับความหนาแน่นของกระแสที่

ป้อนเข้ามา กรณีที่แรงจากสปินทอร์คกระทำต่อแมกนีไทเซชันมีค่ามากพอจะทำให้แมกนีไทเซชันเกิด

การเปลี่ยนแปลงทิศทางและจัดเรียงตัวตามทิศทางของกระแสสปินโพลาไรซ์ซึ่งมีแนวโน้มจัดเรียงตัวใน
ทิศทางเดียวกันกับแมกนีไทเซชันของชั้นพิน แต่ในกรณีที่ความหนาแน่นของกระแสสปินโพลาไรซ์มีค่า

น้อย สปินทอร์คที่เกิดขึ้นมีค่าไม่มากพอที่จะเปลี่ยนแปลงทิศทางของแมกนีไทเซชันภายในชั้นอิสระได้

ซึ่งกรณีนี้ถูกนำมาประยุกต์ใช้สำหรับการวัดค่าความต้านทานเชิงแม่เหล็กในหัวอ่านข้อมูลโดยที่ไม่ทำให้

แมกนีไทเซชันภายในชั้นอิสระเกิดการเปลี่ยนแปลงทิศทาง

หลักการควบคุมทิศทางแมกนีไทเซชันด้วยปรากฎการณ์สปินทอร์คถูกนำมาประยุกต์ใช้ในการ

ทำงานของหัวเขียนและหัวอ่านข้อมูลในอุปกรณ์หน่วยความจำเชิงแม่เหล็กอย่างกว้างขวาง หัวอ่าน
ข้อมูลทำหน้าที่ในการตรวจจับทิศทางของแมกนีไทเซชันภายในบิตข้อมูลซึ่งเกิดจากกระบวนการเขียน

และมีรูปแบบเป็นไบนารีบิต (บิต 1 และบิต 0) โดยบิตข้อมูลจะถูกแสดงในรูปแบบของสัญญาณ

ทางไฟฟ้าผ่านค่าความต้านทานหรือแรงดันไฟฟ้า ดังนั้นในการวัดสัญญาณอ่านกลับ (read back
signal) จากแผ่นบันทึกข้อมูลสามารถทำได้โดยป้อนแรงดันไบอัสที่เหมาะสมเข้าสู่หัวอ่านข้อมูลเพื่อ

ทำการตรวจจับสัญญาณดังกล่าว ค่าแรงดันไบอัสที่น้อยเกินไปจะทำให้ไม่สามารถตรวจจับสัญญาณ

ทางไฟฟ้าได้ แต่ถ้ามากเกินไปจะทำให้เกิดค่าสปินทอร์คที่สูงกระทำต่อแมกนีไทเซชันในชั้นอิสระของ
หัวอ่านข้อมูล ทำให้แมกนีไทเซชันเกิดการเปลี่ยนแปลงทิศทางและส่งผลต่อการตรวจจับสัญญาณที่

คลาดเคลื่อนและไม่มีประสิทธิภาพ การอ่านค่าสัญญาณอ่านกลับจะอาศัยการป้อนแรงดันไบอัสเข้าสู่

โครงสร้างหัวอ่านข้อมูลและทำให้เกิดการสะสมสปินและกระแสสปินที่บริเวณรอยต่อและในชั้นวัสดุ

ซึ่งปริมาณทางฟิสิกส์ทั้งสองค่านี้มีความสำคัญต่อการออกแบบหัวอ่านข้อมูลที่เหมาะสม เนื่องจาก
เป็นปริมาณที่มีความสัมพันธ์กับการพิจารณาค่าความต้านทานเชิงแม่เหล็ก สำหรับโครงสร้างรอยต่อ

ทะลุผ่านเชิงแม่เหล็ก (MTJ) ที่ถูกนำมาประยุกต์ใช้เป็นหัวเขียนในหน่วยความจำเข้าถึงแบบสุ่มเชิง

แม่เหล็กและหน่วยความจำแบบเรซแทรคจะอาศัยหลักการเกิดปรากฏการณ์สปินทอร์คเช่นเดียวกับ

กระบวนการอ่านข้อมูล แต่ความหนาแน่นของกระแสที่ป้อนเข้าสู่โครงสร้าง MTJ จะต้องมีค่าสูงพอที่จะ