Đã có một số mơ hình đưa ra để giải thích hiệu ứng từ trở như: mơ hình hai dịng của Mott (cơ chế tán xạ phụ thuộc spin), mơ hình cấu trúc dải, mơ hình chuỗi rào thế, mơ hình mạng điện trở... Cho đến nay, cơ chế tán xạ phụ thuộc spin là mơ hình giải thích tốt nhất cho hiệu ứng từ trở khổng lồ xuất hiện trong hệ hợp chất perovskite manganite.
Hiệu ứng từ trở khổng lồ (GMR) có ở trong vật liệu màng mỏng đa lớp, các lớp có từ và không từ nằm xen kẽ nhau. Trong vật liệu perovskite manganite, hiệu ứng từ trở khổng lồ (CMR) xảy ra với các lớp có từ tính tương ứng với các lớp nguyên tử Mn cách nhau qua mặt phẳng phi từ là mặt phẳng tạo bởi các ion oxy. Trong vật liệu có hai loại hạt tải với spin up () và spin down (), chúng tham gia độc lập với nhau vào quá trình dẫn điện. Như vậy hai loại hạt tải với hai cấu hình spin khác nhau sẽ tương ứng với hai kênh dẫn khác nhau cùng đóng góp vào q trình dẫn điện (Hính 1.9).
Cơ chế của hiệu ứng từ trở khổng lồ (cơ chế tán xạ phụ thuộc spin) có thể được giải thích với sự tổ hợp đồng thời của ba giả thiết sau:
(1) Từ hình 1.9, trong các màng mỏng đa lớp ( lớp từ tính và phi từ xen kẽ nhau) độ dầy của lớp phi từ chỉ vào cỡ 1nm, tức là nhỏ hơn hoặc xấp xỉ bằng quãng đường tự do trung bình của các điện tử, nên điện tử có khả năng vượt qua lớp đệm phi từ tính để chuyển động từ lớp từ tính này sang lớp từ tính khác.
(2) Khi điện tử chuyển động trong các lớp có từ tính hoặc trong vùng chuyển tiếp với các lớp có từ tính, sự tán xạ của các điện tử phụ thuộc vào trạng thái định hướng spin của chúng.
(3) Sự định hướng tương đối của các véc tơ từ độ ( ⃗⃗ ) trong các lớp có thể thay đổi dưới tác dụng của từ trường ngoài [1]
Trong hình 1.9mơ tả q trình chuyển dời của các điện tử có spin up () và spin down () qua các lớp từ tính có phương từ độ khác nhau. Mỗi điện tử khi đi từ lớp từ tính này đến lớp từ tính tiếp theo, spin của nó khơng bị thay đổi, hay nói khác đi là điện tử bảo tồn spin. Xác suất tán xạ phụ thuộc vào chiều spin của điện tử dẫn so với phương từ độ của mẫu. Các điện tử có spin song song với từ độ sẽ bị tán xạ ít hơn so với các điện tử có spin phản song song. Điện trở của màng đa lớp dưới tác dụng của từ trường theo cơ chế tán xạ phụ thuộc spin mô tả trên đây được biểu diễn dưới các dạng mạch điện mắc song song theo hai kênh spin điện tử up () và down () như hình 1.10
Hình 1.9. Sự tán xạ của các điện tử có spin up () và spin down () khi chuyển động qua các lớp:
a) Trường hợp liên kết giữa các lớp là liên kết phản sắt từ
b) Trường hợp liên kết giữa các lớp là liên kết sắt từ [1,5].
Hình 1.10. Sơ đồ mạch điện trở tương đương với hai kênh spin điện tử up () và down () a) Mạch điện với sự sắp xếp phản sắt từ. b) Mạch điện với sự sắp xếp sắt từ [1,5]
a b 2 2 .
Hình 1.9 cho thấy rằng trong trường hợp khơng có trường ngồi (H = 0), khi các lớp từ liên kết phản song song với nhau (liên kết AF) thì mỗi kênh điện tử với spinthuận và spinnghịch sẽ bị tán xạ mạnh khi đi qua lớp từ tính có từ độ phản song song với spin và sẽ bị tán xạ rất ít khi đi qua lớp từ tính có từ độ song song với spin của nó. Kết quả là tồn bộ các điện tử dẫn đều bị tán xạ như nhau và điện trở suất ứng với hai kênh là như nhau (hình 1.10a). Điện trở suất tương ứng với cấu hình này là:
2
(1.6)
Trong trường hợp từ trường ngoài đủ lớn (H ), từ độ của các lớp từ tính sắp xếp song song với nhau (liên kết FM) thì chỉ kênh điện tử có spin ngược chiều với từ độ là bị tán xạ mạnh, cịn kênh có spin cùng chiều với từ độ thì chúng truyền qua được dễ dàng. Vì vậy điện trở suất của kênh này là nhỏ hơn trường hợp a (hình 1.10b). Điện trở suất tương ứng với cấu hình này là:
2
Lý thuyết CMR vừa trình bày trên đây dựa trên mơ hình hai dịng điện của Mott (dòng điện của các điện tử có spin cùng chiều và dịng điện của các điện tử có spin ngược chiều với từ độ trong màng đa lớp từ tính và phi từ tính). Đó chính là cơ chế tán xạ phụ thuộc spin của điện tử [1].