巨磁电阻效应

3. “超巨磁阻效应”（CMR）
•在很强的磁场中某些绝缘体会突然变为导体。 常见于锰钙钛矿化合物。
二、巨磁阻效应的发现过程
• 磁阻效应最初于1856年由开尔文爵士发现。 1、Fe 和N i 放在磁场中, 发现这 些磁性材料在磁场作用下, 沿着 磁场方向测得的电阻增加, 垂直 于磁场方向测得的电阻减小。 2、电阻增加或减小的幅度约在1 %~ 2 %之间。
斯特恩-盖拉赫实验 ：一束银原子通过非均匀 的磁场，发现银原子分裂为两束。
S
N
S
原子射线
N
通常人们会把自旋理解为电子自身的转动，但这种 图像是不成立的，理由可归纳如下： 1.迄今为止的实验，未发现电子有尺寸的下限，即 电子是没有大小的； 2.如果把电子自旋考虑为刚体绕自身的转动的话， 即假设自旋是某种经典的对应，我们解出的角动 量量子数只能是整数，因此无法解释偶数条条纹； 3.如果把电子自旋设想为有限大小均匀分布电荷球 围绕自身的转动的话，电荷球表面切线速度将超 过光速，与相对论矛盾；
一、什么是巨磁阻效应? 二、它是怎样发现的? 三、产生这种效应的物理机制是什么? 四、 在应用方面有哪些意义和前景?
1.磁电阻效应
• 材料的电阻随着外加磁场的变化而改变的效 应。 • 磁性金属和合金一般都有磁电阻现象。
材料的电阻大小不但受外加磁场大小的影响, 而且受外加磁场与材料中电流之间相对方向 的影响, 故称为各向异性磁电阻( AMR) 效应。
三、巨磁阻效应产生的机制
• 该效应是一种量子力学和凝聚态物理学现 象，物理根源归因于磁性导体中与传导电 子的自旋相关的散射。
1、电子
电子有没有自旋？
2、电子的自旋
• 根据泡利不相容原理（在一个原子中, 不能 有两个或两个以上的电子处在完全相同的 量子态）和以及光谱的精细结构（反常塞 曼效应），在1925年，不到25岁的年轻大 学生乌伦贝克和高斯米提出了电子自旋的 大胆假设，认为电子除了有轨道运动以外， 还存在着由自身属性所决定的固有运动， 称为电子自旋运动。
• 格林贝格尔的研究小组在最初的工作中只是 研究了由铁、铬、铁三层材料组成的结构物 质，实验结果显示电阻下降了1.5%。而费 尔的研究小组则研究了由铁和铬组成的多层 材料，使得电阻下降了50%。
• 费尔的实验结果。横坐标为磁化强度，纵坐标为 磁化时电阻与无磁化时电阻的比值；三条曲线分 别显示了三种不同厚度结构的铁、铬薄膜层。
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• 通常以材料电阻的相对改变量来表示磁电 阻的大小, 即用△R/ R( 0) 表示。 • △ R = R( B) - R ( 0) • 对于传统的铁磁导体, 如Fe、Co 、Ni 及其 合金等, 在大多数情况下, 磁电阻效应很小 ( 约3 %或更低)
2.巨磁阻效应（GMR）
• 在某种条件下，电阻变化的幅度相当大，比 通常磁性金属与合金材料的磁电阻值约高10 余倍，称为“巨磁阻效应”。 • 在磁性材料和非磁性材料相间的多层膜中。
• 20 世纪70 年代, 固体物理学家应用纳米技 术, 能够制备出不同质地的强磁纳米膜和弱 磁纳米膜 。纳米级的薄膜, 其厚度仅有数个 原子层。
多层磁膜的材料，这种材料是由厚度仅为几个 原子的铁磁纳米材料薄膜与非磁性金属纳米膜 层叠而成。
• 1988 年, 法国巴黎大学的费尔教授所在的研 究小组与德国尤利希研究中心的彼得-格林 贝格尔的研究小组分别意外地发现了非常巨 大的磁电阻效应。
• 英国物理学家N. F. Mot t ( 诺贝尔奖获得者) 指出: 在磁性物质中, 电子和磁性导体中原 子的磁撞几率( 自旋相关的散射) 取决于电 子自旋和磁性原子磁矩的相对取向, 如果电 子的自旋反平行于磁性导体的磁化方向, 其 散射就较强, 这些电子的电阻将比平行自旋 的电子的电阻来得大。
左面和右面的材料 结构相同，两侧是 磁性材料薄膜层 （红色），中间是 非磁性材料薄膜层 （蓝色）
自旋电子学
在研究巨磁电阻效应的过程中, 迅速发展起来一门新兴的学 科——自旋电子学( Spintronics) 。自旋电子学包括磁电子 学与半导体自旋电子学两个方面。
20 世纪人类最伟大的成就是微电子工业的崛起, 但从物理 的观点来看, 它仅仅是利用了电子具有电荷这一特性。 电子不仅具有电荷,同时又具有自旋！磁电子学所涉及的 主要是与自旋相关的输运性质,自旋极化是磁输运的核心。 磁电子学是用磁场控制载流子自旋的运动。 半导体自旋电子学则研究如何利用半导体的载流子电荷与 自旋这两个自由度, 既用电场又用磁场来控制载流子 的输运。
巨磁阻材料简介
高一物理 林炳发
2007年物理诺贝尔奖
法国科学家阿尔贝· 费尔（左）和德国科学 家彼得· 格林贝格尔（右） 先后独立发现了“巨磁电阻”效应。
• 看看你的计算机硬盘存储能力有多大，就知 道他们的贡献有多大了。 • 司空见惯的笔记本电脑、MP3、U盘等消费 品，居然都闪烁着耀眼的科学光芒。 • 诺贝尔奖并不总是代表着深奥的理论和艰涩 的知识，它往往就在我们身边，在我们不曾 留意的日常生活中。
左侧：当一束自旋方向与磁性材料磁化方向都相同的电子 通过时，电子较容易通过两层磁性材料，都呈现小电阻。 当一束自旋方向与磁性材料磁化方向都相反的电子通过时， 电子较难通过两层磁性材料，都呈现大电阻。这是因为电 子的自旋方向与材料的磁化方向相反，产生散射，通过的 电子数减少，从而使得电流减小。体系的总电阻较小
巨磁电阻效应发现的意义及应用
• 费尔和格鲁伯格的系统因为昂贵和复杂仅适用于 实验室研究；在GMR的工业产品化进程中一位在 美国工作的英国人起了重要作用.他的名字叫斯图 亚特· 帕金，他发现应用相对简单的阴极镀膜方法 构造的GMR系统依然可以很好地工作，而不必构 造完美的纳米膜.应用这种技术，在1997年第一块 GMR硬盘问世，之后GMR磁头迅速成为硬盘生 产的工业标准。巨磁电阻的发现，打开了一扇通 向极具价值的科技领域的大门，其中包括数据存 贮和磁传感器.如今全世界有数以千计的科学家正 致力于磁电子学及其应用的研究.