巨磁电阻效应

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.
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。
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
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；
• 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%。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。
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。
• 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。
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。
• 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）
• 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。
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。
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。