Sippert, Tiago A. S.

Nanossensores de Campo Magnético (Magneto Ressistência)

Posted by sippert | Filed under artigos

Este artigo tem o objetivo de explicar e resumir os principais conceitos, princípios físicos e aplicações da magneto-resistência, principalmente a magneto-resistência extraordinária.

Magneto-Resistência (MR)
Magneto Resistencia (MR) é o aumento percentual da resistência de um material semi-condutor com o emprego de um campo magnético. Esse efeito da magneto-resistência, que foi descoberto pelo físico William Thomson em 1857, é insignificante em metais e muito pequeno em semicondutores. Mas nas últimas décadas foram descobertos vários outros tipos de MR maiores, alguns sendo de aplicações tecnológicas de bilhões de dólares. Abaixo explicamos alguns deles.

Magneto-Resistência Gigante (GMR)
Nele, duas camadas ferromagnéticas, por exemplo cobalto ou ferro, formam um sanduíche com uma camada de metal não-magnético. O magnetismo de uma camada ferromagnética é mantido em direção fixa, enquanto os outros podem ser reorientados por um campo magnético externo. Quando as duas camadas tem magnetismo paralelo, a corrente atinge o máximo, e chega ao mínimo quando estão em antiparalelo.
As cabeças de leitura de disk drives magnéticos modernos usam a GMR para detectar os campos magnéticos ou bits de informação no disco. A GMR foi descoberta em 1988 por Peter A. Grünberg da Alemanha, e por Albert Fert de Paris.

Magneto-Resistência de Túnel (TMR)
É semelhante À GMR, mas troca o metal como o recheio do sanduíche por um isolante bem fino, através do qual a corrente avança por um túnel quântico. A próxima geração de cabeças de leitura de díscos rígidos provavelmente empregará a Magneto-Resistência de Túnel. Tanto a TMR quanto a GMR são sensíveis à alterações muito pequenas do campo magnético em que estão. Esse efeito medido pela primeira vez em 1975 teve interesse renovado no início da década de 1990

Magneto-Resistência Colossal (CMR)
Foi descoberta em cristais isolantes de óxido de manganês, chamados manganitas. A aplicação do campo magnético transforma o material de não-magnético e isolante em ferromagnético e metálico, ou seja, o campo magnético reduz a resistência. Essa transição geralmente só ocorre em temperaturas abaixo de 150 kelvins e com campos magnéticos de muitos teslas.
Descoberta na década de 1950 na Holanda por G. H. Jonker e J. H. van Santen, da Philips, e redescoberta em 1994 nos laboratórios da Bell. A CMR deixou de ser um concorrente de respeito para a utilização em cabeças de leitura, exatamente pelas suas propriedades para ocorrer a transição.

Magneto-Resistência Balística (BMR)
Pode ser observada com uma agulha e um fio, ambos metálicos e magnéticos, quando são unidos por um contato nanoscópico. A aplicação do campo magnético altera o magnetismo dos dois componentes de paralelo (resistência baixa) para antiparalelo (resistência alta). O efeito é conseqüência da trajetória balística de elétrons ao longo do nanocontato.
Foi descoberta em 1999 no Conselho Superior de Investigações Científicas, em Madri. Já em 2003 a sua validade em alguns resultados foi questionada por alguns pesquisadores. A sua utilização em cabeças de leitura é uma possibilidade remota.

Magneto-Resistência Extraordinária (EMR)
Como a Magneto-Resistência ordinária, e diferentemente dos outros efeitos de grande MR, a EMR é produzida em uma estrutura que não inclui nenhum outro material magnético. Como ela é a que está em foco, escreveremos mais especificamente sobre a EMR na seção abaixo.

Magneto-Resistência Extraordinária
Em 1998, na Universidade de Ohio, construiu-se uma estrutura InSb-Au, que com a presença de uma compo magnético de cinco Teslas, a MR foi cerca de 1 milhão por cento em temperatura ambiente. Tal fenomeno observado da-se o nome de “Magneto Resistência Extraordinaria”, ou simplesmente EMR.
Foi demonstrada pela primeira vez em discos. L. J. van der Pauw estudou no fim da década de 1950 o fluxo de corrente através de semicondutores de vários formatos, na presença de um campo magnético. Discos de ouro foram embutidos em discos, com raio de 1mm, de antimoneto de índo tratados com telúrio. Constatou-se que se elevava a EMR com o aumento do raio do disco de ouro para 13/16 de milímetro. Essa experiência foi realizada em temperatura ambiente.

Princípios Físicos
As estruturas de MR normalmente possuem, portanto, uma camada de material magnético que polariza a corrente e uma segunda camada de magnetização controlável; a segunda camada obstrui a corrente ou a deixa passar, dependendo de como seu campo estiver orientado em relação à primeira.
Já a EMR age com a ausência de material magnetico, assim quando uma particula carregada, como um elétron, possa por um campo magnético, este exerce uma força transversal sobre a partícula, curvando sua trajetória. O campo curva as trajetórias dos elétrons, chegando a transforma-las em hélices.

Possíveis Aplicações Tecnológicas
Os sensores de MR em geral e os de EMR em particular têm muitas aplicações. As industriais incluem a monitoração de processos, robôs com sensores de posição para linhas de produção, testes de campo magnético para máquinas e motores, detectores de velocidade pra câmbios e sensores de posição pra estruturas ferromagnéticas.
Na industria automotiva estão o sistema antibloqueio de rodas, equipamentos “inteligentes” de absorção de choques, sistema de contagem de veículos e de controle de ignição, entre outros. Os sensores também estão em telefones que abrem e fecham, na memória não-volátil de equipamentos eletrônicos baratos e em controles motores silenciosos de disk drives. Em bancos, são usados nos equipamentos que separam e contam o dinheiro com base em tinta magnética. Em equipamentos médicos podem ser usados sensores de campos altos e baixos.
Das inumeras aplicações o destaque para a leitura de disk drives de computador – têm três componentes principais, o disco magnético, o elemento de escrita e o elemento de leitura. Todos os três terão de ser significativamente melhorados para saciar a crescente demanda em armazenagem em densidades cada vez maiores, com baixos custos e velocidades altas.

Principais Dificuldades
Uma das principais desvantagens para uso da EMR em aplicações tecnológicas é a necessidade de operação em temperaturas relativamente baixas. Outra delas seria que a resposta da cabeça de leitura aumenta proporcionalmente ao quadrado da força do campo magnético, o que é ruim por ser um comportamente não-linear.
O maior desafio nos dias de hoje, seria o fato de os Sensores de EMR serem ainda uma tecnologia nova e não comprovada. É preciso derrubar obstáculos tecnológicos e econômicos significativos para que a EMR alcance sucesso comercial na gravação magnética. Empecilhos como esses não são incomuns no desenvolvimento de tecnologias potencialmente revolucionárias. Na verdade, outras tecnologias também revolucionárias podem tornar a cabeça de leitura de EMR obsoleta antes mesmo que ela se desenvolva.

Nenhum post relacionado.

Tagged : fisica

Comments (2) | setembro 21st, 2008