ปรากฏการณ์ แม่เหล็กต้านทานแบบอุโมงค์ (Tunnel magnetoresistanceหรือTMR ) เป็นปรากฏการณ์แม่เหล็กต้านทานที่เกิดขึ้นในรอยต่ออุโมงค์แม่เหล็ก ( Magnetic tunnel junction หรือ MTJ ) ซึ่งเป็นส่วนประกอบที่ประกอบด้วยวัสดุแม่เหล็ก สองชนิด ที่คั่นด้วยฉนวน บางๆ หากชั้นฉนวนบางมากพอ (โดยทั่วไปประมาณไม่กี่นาโนเมตร ) อิเล็กตรอนสามารถทะลุผ่าน จากวัสดุแม่เหล็กชนิดหนึ่งไปยังอีกชนิดหนึ่งได้ เนื่องจากกระบวนการนี้เป็นไปไม่ได้ในฟิสิกส์คลาสสิก ปรากฏการณ์แม่เหล็กต้านทานแบบอุโมงค์จึงเป็นปรากฏการณ์ ทางกลศาสตร์ควอนตัมโดยเฉพาะและอยู่ในขอบเขตของการศึกษาด้านสปินโทรนิกส์

รอยต่ออุโมงค์แม่เหล็กผลิตขึ้นโดยใช้ เทคโนโลยี ฟิล์มบางในระดับอุตสาหกรรม การสร้างฟิล์มทำโดยวิธีการสปัตเตอร์ด้วยแมกเนตรอน ในระดับห้องปฏิบัติการ มีการใช้วิธีการเอพิแท็กซี ด้วย ลำแสงโมเลกุล การสร้างฟิล์ม ด้วยเลเซอร์แบบพัลส์ และการสร้างฟิล์มด้วยไอระเหยทางกายภาพด้วยลำแสงอิเล็กตรอน รอยต่อเหล่านี้เตรียมขึ้นโดยใช้วิธีการโฟโตลิโทกราฟี

ทิศทางการเหนี่ยวนำแม่เหล็กของฟิล์มเฟอร์โรแมกเนติกทั้งสองสามารถสลับได้ทีละส่วนโดยใช้สนามแม่เหล็ก ภายนอก หากการเหนี่ยวนำแม่เหล็กอยู่ในทิศทางขนานกัน อิเล็กตรอน จะ มีโอกาสทะลุผ่านฟิล์มฉนวนได้มากกว่าหากอยู่ในทิศทางตรงข้าม (แอนติพาราเลล) ดังนั้น รอยต่อดังกล่าวจึงสามารถสลับระหว่างสถานะความต้านทานไฟฟ้า สองสถานะ คือ สถานะความต้านทานต่ำและสถานะความต้านทานสูงมาก

ปรากฏการณ์นี้ถูกค้นพบครั้งแรกในปี 1975 โดย Michel Jullière (มหาวิทยาลัย Rennes ประเทศฝรั่งเศส) ใน รอยต่อ Fe / Ge - O / Coที่อุณหภูมิ 4.2 K การเปลี่ยนแปลงความต้านทานสัมพัทธ์อยู่ที่ประมาณ 14% และไม่ได้รับความสนใจมากนัก^{[ 1 ]}ในปี 1991 Terunobu Miyazaki ( มหาวิทยาลัย Tohokuประเทศญี่ปุ่น) พบการเปลี่ยนแปลง 2.7% ที่อุณหภูมิห้อง ต่อมาในปี 1994 Miyazaki พบการเปลี่ยนแปลง 18% ในรอยต่อของเหล็กที่คั่นด้วย ฉนวน อะลูมิเนียมออกไซด์อสัณฐาน[ ^{2 ] และ} Jagadeesh Mooderaพบการเปลี่ยนแปลง 11.8% ในรอยต่อที่มีอิเล็กโทรด CoFe และ Co ^{[ 3 ]}ผลกระทบสูงสุดที่สังเกตได้ในขณะนั้นกับฉนวนอะลูมิเนียมออกไซด์อยู่ที่ประมาณ 70% ที่อุณหภูมิห้อง

นับตั้งแต่ปี 2000 เป็นต้นมามีการพัฒนา สิ่งกีดขวางอุโมงค์ของ แมกนีเซียมออกไซด์ผลึก (MgO) อย่างต่อเนื่อง ในปี 2001 Butler และ Mathon ได้ทำการคาดการณ์ทางทฤษฎีโดยอิสระว่า การใช้ เหล็กเป็นเฟอร์โรแมกเนตและMgOเป็นฉนวน จะทำให้ความต้านทานแม่เหล็กอุโมงค์สูงถึงหลายพันเปอร์เซ็นต์^{[ 4 ] [ 5 ]}ในปีเดียวกัน Bowen และคณะเป็นกลุ่มแรกที่รายงานการทดลองที่แสดงให้เห็นถึง TMR ที่สำคัญในรอยต่ออุโมงค์แม่เหล็กที่ใช้ MgO เป็นฐาน [Fe/MgO/FeCo(001)] ^{[ 6 ]} ในปี 2004 Parkin และ Yuasa สามารถสร้างรอยต่อ Fe/MgO/Fe ที่มี TMR สูงกว่า 200% ที่อุณหภูมิห้องได้^{[ 7 ] [ 8 ]}ในปี พ.ศ. 2551 พบว่ามีผลกระทบสูงถึง 604% ที่อุณหภูมิห้อง และมากกว่า 1100% ที่ 4.2 K ในจุดเชื่อมต่อของ CoFeB/MgO/CoFeB โดย S. Ikeda และกลุ่ม H. Ohno จากมหาวิทยาลัยโทโฮคุ ประเทศญี่ปุ่น^{[ 9 ]}

หัวอ่านของฮาร์ดดิสก์ไดรฟ์ สมัยใหม่ ทำงานบนพื้นฐานของจุดเชื่อมต่ออุโมงค์แม่เหล็ก TMR หรือโดยเฉพาะอย่างยิ่งจุดเชื่อมต่ออุโมงค์แม่เหล็ก ยังเป็นพื้นฐานของMRAM ซึ่ง เป็นหน่วยความจำแบบไม่ระเหยชนิดใหม่เทคโนโลยีรุ่นที่ 1 อาศัยการสร้างสนามแม่เหล็กแบบครอสพอยต์บนแต่ละบิตเพื่อเขียนข้อมูลลงไป แม้ว่าวิธีการนี้จะมีข้อจำกัดด้านขนาดอยู่ที่ประมาณ 90–130  นาโนเมตร^{[ 10 ]}ปัจจุบันมีเทคนิคสองรุ่นที่อยู่ระหว่างการพัฒนา ได้แก่Thermal Assisted Switching (TAS) ^{[ 10 ]}และSpin-transfer torque

รอยต่ออุโมงค์แม่เหล็กยังใช้สำหรับการใช้งานด้านการตรวจจับ ปัจจุบันมีการใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับเซ็นเซอร์ตำแหน่งและเซ็นเซอร์กระแสไฟฟ้าในแอปพลิเคชันยานยนต์ อุตสาหกรรม และสินค้าอุปโภคบริโภคต่างๆ เซ็นเซอร์ประสิทธิภาพสูงเหล่านี้กำลังเข้ามาแทนที่เซ็นเซอร์ฮอลล์ในหลายๆ แอปพลิเคชันเนื่องจากประสิทธิภาพที่ดีขึ้น^{[ 11 ]}

การเปลี่ยนแปลงความต้านทานสัมพัทธ์ หรือขนาดของผลกระทบ ถูกกำหนดดังนี้

${\displaystyle \mathrm {TMR}$ :={\frac {R_{\mathrm {ap} }-R_{\mathrm {p} }}{R_{\mathrm {p} }}}}

ที่ไหน${\displaystyle R_{\คณิตศาสตร์ {ap} }}$คือค่าความต้านทานไฟฟ้าในสถานะขนานกลับด้าน ในขณะที่${\displaystyle R_{\คณิตศาสตร์ {p} }}$คือค่าความต้านทานในสถานะขนาน

จูลิแยร์ได้อธิบายปรากฏการณ์ TMR ด้วยการโพลาไรซ์สปินของอิเล็กโทรดแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติก โดยคำนวณค่าโพลาไรซ์สปินPจากความหนาแน่นของสถานะ (DOS) ที่ขึ้นอยู่กับสปิน${\displaystyle {\mathcal {D}}}$ที่ระดับพลังงานเฟอร์มิ :

${\displaystyle P={\frac {{\mathcal {D}}_{\uparrow }(E_{\mathrm {F} })-{\mathcal {D}__{\downarrow }(E_{\mathrm {F} })}{{\mathcal {D}__{\uparrow }(E_{\mathrm {F} })+{\mathcal {D}_{\downarrow }(E_{\คณิตศาสตร์ {F} })}}}$

อิเล็กตรอนสปินขึ้นคืออิเล็กตรอนที่มีทิศทางการหมุนขนานกับสนามแม่เหล็กภายนอก ในขณะที่อิเล็กตรอนสปินลงจะมีทิศทางการหมุนตรงข้ามกับสนามภายนอก การเปลี่ยนแปลงความต้านทานสัมพัทธ์ในที่นี้กำหนดโดยโพลาไรเซชันสปินของเฟอร์โรแมกเนตทั้งสองP และP :

${\displaystyle \mathrm {TMR} ={\frac {2P_{1}P_{2}}{1-P_{1}P_{2}}}}$

หากไม่มีแรงดันไฟฟ้าจ่ายให้กับรอยต่อ อิเล็กตรอนจะทะลุผ่านในทั้งสองทิศทางด้วยอัตราที่เท่ากัน เมื่อมีแรงดันไบแอสUอิเล็กตรอนจะทะลุผ่านไปยังขั้วบวกมากกว่า โดยสมมติว่าสปินจะถูกอนุรักษ์ไว้ในระหว่างการทะลุผ่าน กระแสไฟฟ้าสามารถอธิบายได้ด้วยแบบจำลองสองกระแส กระแสทั้งหมดจะถูกแบ่งออกเป็นสองกระแสย่อย กระแสหนึ่งสำหรับอิเล็กตรอนสปินขึ้น และอีกกระแสหนึ่งสำหรับอิเล็กตรอนสปินลง กระแสเหล่านี้จะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับสถานะแม่เหล็กของรอยต่อ

มีสองวิธีที่เป็นไปได้ในการสร้างสถานะแอนติพาราเลลที่กำหนดไว้ วิธีแรกคือการใช้เฟอร์โรแมกเนตที่มีค่าความต้านทานการ กลับขั้วต่างกัน (โดยการใช้วัสดุที่แตกต่างกันหรือความหนาของฟิล์มที่แตกต่างกัน) และวิธีที่สองคือการใช้เฟอร์โรแมกเนตตัวหนึ่งร่วมกับแอนติเฟอร์โรแมกเนต ( ไบแอสแบบแลกเปลี่ยน ) ในกรณีนี้ การทำให้เป็นแม่เหล็กของขั้วไฟฟ้าที่ไม่เชื่อมต่อจะยังคง "เป็นอิสระ"

ค่า TMR จะเป็นอนันต์หากP และP เท่ากับ 1 กล่าวคือ หากอิเล็กโทรดทั้งสองมีสปินโพลาไรเซชัน 100% ในกรณีนี้ จุดเชื่อมต่ออุโมงค์แม่เหล็กจะกลายเป็นสวิตช์ที่สลับระหว่างความต้านทานต่ำและความต้านทานอนันต์ด้วยแม่เหล็ก วัสดุที่นำมาพิจารณาในกรณีนี้เรียกว่าโลหะกึ่งเฟอร์โรแมกเนติกอิเล็กตรอนนำไฟฟ้าของวัสดุเหล่านี้มีสปินโพลาไรซ์อย่างสมบูรณ์ คุณสมบัตินี้ได้รับการทำนายทางทฤษฎีสำหรับวัสดุจำนวนหนึ่ง (เช่น CrO โลหะผสมเฮาส์เลอร์ต่างๆ) แต่การยืนยันเชิงทดลองยังคงเป็นหัวข้อของการถกเถียงที่ละเอียดอ่อน อย่างไรก็ตาม หากพิจารณาเฉพาะอิเล็กตรอนที่เข้าสู่การขนส่ง การวัดโดย Bowen et al. ที่มีสปินโพลาไรเซชันสูงถึง 99.6% ^{[ 12 ]}ที่ส่วนต่อประสานระหว่าง La Sr MnO และ SrTiO ถือเป็นการพิสูจน์เชิงทดลองของคุณสมบัตินี้ในทางปฏิบัติ

ค่า TMR ลดลงเมื่ออุณหภูมิและแรงดันไบแอสเพิ่มขึ้น ทั้งสองอย่างสามารถเข้าใจได้ในหลักการโดย การกระตุ้น แมกนอนและการมีปฏิสัมพันธ์กับแมกนอน รวมถึงการทะลุผ่านเมื่อเทียบกับสถานะเฉพาะที่เหนี่ยวนำโดยช่องว่างออกซิเจน (ดูส่วนการกรองสมมาตรต่อไปนี้) ^{[ 13 ]}

ก่อนการนำแมกนีเซียมออกไซด์แบบเอพิแท็กเซียล (MgO) มาใช้ อะลูมิเนียมออกไซด์แบบอสัณฐานถูกใช้เป็นตัวกั้นอุโมงค์ของ MTJ และค่า TMR ทั่วไปที่อุณหภูมิห้องอยู่ในช่วงหลายสิบเปอร์เซ็นต์ การใช้ตัวกั้น MgO ทำให้ค่า TMR เพิ่มขึ้นเป็นหลายร้อยเปอร์เซ็นต์ การเพิ่มขึ้นอย่างมากนี้สะท้อนให้เห็นถึงการทำงานร่วมกันของโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของอิเล็กโทรดและตัวกั้น ซึ่งสะท้อนให้เห็นถึงการได้มาซึ่งรอยต่อที่มีโครงสร้างที่เป็นระเบียบ แท้จริงแล้ว MgO กรองการส่งผ่านอุโมงค์ของอิเล็กตรอนที่มีสมมาตรเฉพาะ ซึ่งมีการโพลาไรซ์สปินอย่างสมบูรณ์ภายในกระแสที่ไหลผ่านอิเล็ก โทรดแบบลูกบาศก์ ศูนย์กลางตัว (body-centered cubic ) ที่มีส่วนประกอบของเหล็ก ดังนั้น ในสถานะขนาน (P) ของการทำให้เป็นแม่เหล็กของอิเล็กโทรด อิเล็กตรอนที่มีสมมาตรนี้จะครอบงำกระแสของรอยต่อ ในทางตรงกันข้าม ในสถานะตรงข้ามขนาน (AP) ของ MTJ ช่องทางนี้จะถูกปิดกั้น ทำให้อิเล็กตรอนที่มีสมมาตรที่เหมาะสมที่สุดถัดไปที่จะส่งผ่านครอบงำกระแสของรอยต่อ เนื่องจากอิเล็กตรอนเหล่านั้นทะลุผ่านสิ่งกีดขวางที่มีความสูงมากกว่า จึงส่งผลให้ค่า TMR มีขนาดใหญ่ขึ้น

นอกเหนือจากค่า TMR ขนาดใหญ่เหล่านี้ใน MTJ ที่ใช้ MgO ^{[ 9 ]}ผลกระทบของโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของสิ่งกีดขวางต่อสปินโทรนิกส์ แบบอุโมงค์ ได้รับการยืนยันทางอ้อมโดยการออกแบบภูมิทัศน์ศักยภาพของรอยต่อสำหรับอิเล็กตรอนที่มีสมมาตรที่กำหนด สิ่งนี้ประสบความสำเร็จเป็นครั้งแรกโดยการตรวจสอบว่าอิเล็กตรอนของ อิเล็กโทรดโลหะ กึ่งตัวนำแลนทานัมสตรอนเทียมแมง กาไนท์ที่มีทั้งสปินเต็ม (P=+1 ^{[ 12 ]} ) และโพลาไรเซชันสมมาตรอุโมงค์ผ่านสิ่งกีดขวางอุโมงค์ SrTiO ^{[ 14 ]} การทดลองที่ง่ายกว่าในเชิงแนวคิดของการ แทรกตัวเว้นระยะโลหะที่เหมาะสมที่ส่วนต่อประสานรอยต่อระหว่างการเติบโตของตัวอย่างก็ได้รับการสาธิตในภายหลังเช่นกัน^{[ 15 ] [ 16 ]}

ในขณะที่ทฤษฎีซึ่งกำหนดขึ้นครั้งแรกในปี 2544 ^{[ 4 ] [ 5 ]}ทำนายค่า TMR ขนาดใหญ่ที่เกี่ยวข้องกับความสูงของกำแพง 4 eV ในสถานะ P ของ MTJ และ 12 eV ในสถานะ AP ของ MTJ การทดลองเผยให้เห็นความสูงของกำแพงที่ต่ำเพียง 0.4 eV ^{[ 7 ]}ความขัดแย้งนี้จะหมดไปหากพิจารณาสถานะเฉพาะที่ของช่องว่างออกซิเจนในกำแพงอุโมงค์ MgO การทดลองสเปกโทรสโกปีอุโมงค์ของของแข็งอย่างกว้างขวางใน MTJ MgO เปิดเผยในปี 2557 ^{[ 13 ]}ว่าการกักเก็บอิเล็กตรอนในสถานะพื้นฐานและสถานะกระตุ้นของช่องว่างออกซิเจน ซึ่งขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ จะกำหนดความสูงของกำแพงอุโมงค์สำหรับอิเล็กตรอนที่มีสมมาตรที่กำหนด และด้วยเหตุนี้จึงสร้างอัตราส่วน TMR ที่มีประสิทธิภาพและการพึ่งพาอุณหภูมิ ความสูงของกำแพงที่ต่ำนี้จะช่วยให้มีความหนาแน่นกระแสสูงที่จำเป็นสำหรับแรงบิดการถ่ายโอนสปิน ซึ่งจะกล่าวถึงต่อไป

ผลของแรงบิดถ่ายโอนสปินได้รับการศึกษาและนำไปประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวางใน MTJ (Magnetometer Junction) ซึ่งมีชั้นกั้นการทะลุผ่านอยู่ระหว่างชุดอิเล็กโทรดแม่เหล็กสองชุด โดยที่อิเล็กโทรดด้านขวามีการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก (อย่างอิสระ) ในขณะที่สมมติว่าอิเล็กโทรดด้านซ้าย (ที่มีการเหนี่ยวนำแม่เหล็กคงที่) ทำหน้าที่เป็นตัวเหนี่ยวนำสปิน จากนั้นอาจเชื่อมต่อกับทรานซิสเตอร์เลือกใน อุปกรณ์ หน่วยความจำแบบสุ่มต้านทานแม่เหล็กหรือเชื่อมต่อกับพรีแอมพลิฟายเออร์ในแอปพลิเคชันฮาร์ดดิสก์ไดรฟ์

เวกเตอร์แรงบิดการถ่ายโอนสปิน ซึ่งขับเคลื่อนโดยแรงดันตอบสนองเชิงเส้น สามารถคำนวณได้จากค่าคาดหวังของตัวดำเนินการแรงบิด:

${\displaystyle \mathbf {T} =\mathrm {Tr} [{\hat {\mathbf {T} }}{\hat {\rho }__{\mathrm {neq} }]}$

ที่ไหน${\displaystyle {\hat {\rho }__{\mathrm {neq} }}$คือเมทริกซ์ความหนาแน่นที่ไม่สมดุลที่ไม่ขึ้นกับเกจสำหรับการขนส่งสถานะคงที่ ในขีดจำกัดอุณหภูมิศูนย์ ในระบอบการตอบสนองเชิงเส้น^{[ 17 ]}และตัวดำเนินการแรงบิด${\displaystyle {\hat {\mathbf {T} }}}$ได้มาจากการหาอนุพันธ์เทียบกับเวลาของตัวดำเนินการสปิน:

${\displaystyle {\hat {\mathbf {T} }}={\frac {d{\hat {\mathbf {S} }}}{dt}}=-{\frac {i}{\hbar }}\left[{\frac {\hbar }{2}}{\boldsymbol {\sigma }},{\hat {H}}\right]}$

โดยใช้รูปแบบทั่วไปของแฮมิลโทเนียนแบบไทต์ไบน์ดิง 1 มิติ:

${\displaystyle {\hat {H}}={\hat {H}}_{0}-\Delta ({\boldsymbol {\sigma }}\cdot \mathbf {m} )/2}$

โดยที่สนามแม่เหล็กทั้งหมด (ในรูปของมาโครสปิน) อยู่ตามแนวเวกเตอร์หน่วย${\displaystyle \mathbf {m} }$และคุณสมบัติของเมทริกซ์ Pauli ที่เกี่ยวข้องกับเวกเตอร์คลาสสิกใดๆ${\displaystyle \mathbf {p} ,\mathbf {q} }$โดยกำหนดโดย

${\displaystyle ({\boldsymbol {\sigma }}\cdot \mathbf {p} )({\boldsymbol {\sigma }}\cdot \mathbf {q} )=\mathbf {p} \cdot \mathbf {q} +i(\mathbf {p} \times \mathbf {q} )\cdot {\boldsymbol {\sigma }}}$

${\displaystyle ({\boldsymbol {\sigma }}\cdot \mathbf {p} ){\boldsymbol {\sigma }}=\mathbf {p} +i{\boldsymbol {\sigma }}\times \mathbf {p} }$

${\displaystyle {\boldsymbol {\sigma }}({\boldsymbol {\sigma }}\cdot \mathbf {q} )=\mathbf {q} +i\mathbf {q} \times {\boldsymbol {\sigma }}}$

จากนั้นจึงสามารถหาค่าแสดงออกแบบวิเคราะห์ได้ก่อน${\displaystyle {\hat {\mathbf {T} }}}$(ซึ่งสามารถแสดงในรูปแบบกระชับได้โดยใช้ ${\displaystyle \Delta ,\mathbf {m} }$และเวกเตอร์ของเมทริกซ์สปินของเปาลี${\displaystyle {\boldsymbol {\sigma }}=(\sigma _{x},\sigma _{y},\sigma _{z})}$)

เวกเตอร์แรงบิดการถ่ายโอนสปินใน MTJ ทั่วไปจะมีสององค์ประกอบ ได้แก่ องค์ประกอบขนานและองค์ประกอบตั้งฉาก:

ส่วนประกอบแบบขนาน: ${\displaystyle T_{\parallel }={\sqrt {T_{x}^{2}+T_{z}^{2}}}}$

และส่วนประกอบที่ตั้งฉาก: ${\displaystyle T_{\perp }=T_{y}}$

ใน MTJ แบบสมมาตร (ที่ทำจากอิเล็กโทรดที่มีรูปทรงเรขาคณิตและการแยกการแลกเปลี่ยนเหมือนกัน) เวกเตอร์แรงบิดการถ่ายโอนสปินจะมีส่วนประกอบที่ใช้งานได้เพียงส่วนเดียว เนื่องจากส่วนประกอบที่ตั้งฉากหายไป:

${\displaystyle T_{\perp }\equiv 0}$[ ^{18 ]​}

ดังนั้น จึงมีเพียง${\displaystyle T_{\parallel }}$เทียบกับ${\displaystyle \theta }$จำเป็นต้องกำหนดตำแหน่งที่ขั้วไฟฟ้าด้านขวาเพื่อระบุลักษณะการทะลุผ่านใน MTJ แบบสมมาตร ทำให้ MTJ มีความน่าสนใจสำหรับการผลิตและการวิเคราะห์ในระดับอุตสาหกรรม

หมายเหตุ: ในการคำนวณเหล่านี้ บริเวณแอคทีฟ (ซึ่งจำเป็นต้องคำนวณฟังก์ชันกรีน แบบหน่วงเวลา ) ควรประกอบด้วยชั้นกั้นอุโมงค์ + ชั้นเฟอร์โรแมกเนติกด้านขวาที่มีความหนาจำกัด (เช่นเดียวกับในอุปกรณ์จริง) บริเวณแอคทีฟเชื่อมต่อกับอิเล็กโทรดเฟอร์โรแมกเนติกด้านซ้าย (จำลองเป็นโซ่ไทต์ไบน์ดิงกึ่งอนันต์ที่มีการแยกซีแมน ที่ไม่เป็นศูนย์ ) และอิเล็กโทรด N ด้านขวา (โซ่ไทต์ไบน์ดิงกึ่งอนันต์ที่ไม่มีการแยกซีแมน) ตามที่เข้ารหัสโดยเทอมพลังงานตัวเองที่สอดคล้องกัน

อัตราส่วนความต้านทานแม่เหล็กอุโมงค์ตามทฤษฎีที่ 10,000% ^{[ 19 ]}ได้รับการคาดการณ์ไว้ อย่างไรก็ตาม ค่าสูงสุดที่สังเกตได้มีเพียง 604% ^{[ 20 ]}ข้อเสนอแนะหนึ่งคือขอบเขตของเกรนอาจส่งผลต่อคุณสมบัติการเป็นฉนวนของชั้นกั้น MgO อย่างไรก็ตาม โครงสร้างของฟิล์มในโครงสร้างซ้อนที่ฝังอยู่นั้นยากที่จะระบุได้^{[ 21 ]}ขอบเขตของเกรนอาจทำหน้าที่เป็นเส้นทางการนำไฟฟ้าลัดวงจรผ่านวัสดุ ลดความต้านทานของอุปกรณ์ เมื่อเร็วๆ นี้ การใช้ เทคนิค กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านแบบสแกน ใหม่ ทำให้สามารถมองเห็นขอบเขตของเกรนภายใน FeCoB/MgO/FeCoB MTJ ได้ในระดับอะตอม ซึ่งทำให้สามารถ คำนวณทฤษฎี ฟังก์ชันความหนาแน่นตาม หลักการพื้นฐาน บนหน่วยโครงสร้างที่มีอยู่ในฟิล์มจริงได้ การคำนวณดังกล่าวแสดงให้เห็นว่าช่องว่างแถบพลังงานสามารถลดลงได้มากถึง 45% ^{[ 22 ]}

นอกจากขอบเขตของเกรนแล้ว ข้อบกพร่องแบบจุด เช่น โบรอนแทรกและช่องว่างออกซิเจน อาจเปลี่ยนแปลงความต้านทานแม่เหล็กแบบอุโมงค์ได้อย่างมีนัยสำคัญ การคำนวณทางทฤษฎีล่าสุดได้เปิดเผยว่าโบรอนแทรกทำให้เกิดสถานะข้อบกพร่องในช่องว่างของแถบพลังงาน ซึ่งอาจลด TMR ลงได้อีก^{[ 23 ]} การคำนวณทางทฤษฎีเหล่านี้ได้รับการสนับสนุนจากหลักฐานเชิงทดลองที่แสดงให้เห็นถึงลักษณะของโบรอนภายในชั้น MgO ระหว่างระบบสองระบบที่แตกต่างกัน และความแตกต่างของ TMR ^{[ 24 ]}

• การทะลุผ่านควอนตัม
• ความต้านทานแม่เหล็ก
• ความต้านทานแม่เหล็กยักษ์
• แรงบิดถ่ายโอนการหมุน