巨磁阻效应

维基百科,自由的百科全书
跳转至: 导航搜索

巨磁阻效应(Giant Magnetoresistance)是一种量子力学凝聚体物理学现象,磁阻效应的一种,可以在磁性材料和非磁性材料相间的薄膜层(几个纳米厚)结构中观察到。这种结构物质的电阻值与铁磁性材料薄膜层的磁化方向有关,两层磁性材料磁化方向相反情况下的电阻值,明显大于磁化方向相同时的电阻值,电阻在很弱的外加磁场下具有很大的变化量。巨磁阻效应被成功地运用在硬盘生产上,具有重要的商业应用价值。

现象[编辑]

物质在一定磁场电阻改变的现象,称为“磁阻效应”,磁性金属合金材料一般都有这种磁电阻现象,通常情况下,物质的电阻率在磁场中仅产生轻微的减小;在某种条件下,电阻率减小的幅度相当大,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”(GMR);而在很强的磁场中某些绝缘体会突然变为导体,称为“超巨磁阻效应”(CMR)。

巨磁阻效应示意图。FM(蓝色)表示磁性材料,NM(橘色)表示非磁性材料,磁性材料中的箭头表示磁化方向;Spin的箭头表示通过电子的自旋方向;R(绿色)表示电阻值,绿色较小表示电阻值小,绿色较大表示电阻值大。(图片中电阻大小与说明文字中的表述不一致,图片表达有误,需要修改!)

如右图所示,左面和右面的材料结构相同,两侧是磁性材料薄膜层(蓝色),中间是非磁性材料薄膜层(橘色)。

左面的结构中,两层磁性材料的磁化方向相同。

  • 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。

右面的结构中,两层磁性材料的磁化方向相反。

  • 当一束自旋方向与第一层磁性材料磁化方向相同的电子通过时,电子较容易通过,呈现小电阻;但较难通过第二层磁化方向与电子自旋方向相反的磁性材料,呈现大电阻。
  • 当一束自旋方向与第一层磁性材料磁化方向相反的电子通过时,电子较难通过,呈现大电阻;但较容易通过第二层磁化方向与电子自旋方向相同的磁性材料,呈现小电阻。

发现[编辑]

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。

巨磁阻效应在1988年由德国于利希研究中心彼得·格林贝格巴黎第十一大学艾尔伯·费尔分别独立发现的,他们因此共同获得2007年诺贝尔物理学奖

格林贝格的研究小组在最初的工作中只是研究了由、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%。

格林贝格和于利希研究中心享有巨磁阻技术的一项专利,他最初提交论文的时间要比费尔略早一些(格林贝格于1988年5月31日,费尔于1988年8月24日),而费尔的文章发表得更早(格林贝格于1989年3月,费尔于1988年11月)。费尔准确地描述了巨磁阻现象背后的物理原理,而格林贝格则迅速看到了巨磁阻效应在技术应用上的重要性。

应用[编辑]

巨磁阻效应在高密度读出磁头、磁存储元件上有着广泛的应用。随着技术的发展,当存储数据的磁区越来越小,存储数据密度越来越大,这对读写磁头提出更高的要求。巨磁阻物质中电流的增大与减小,可以定义为逻辑信号的0与1,进而实现对磁性存储装置的读取。巨磁阻物质可以将用磁性方法存储的数据,以不同大小的电流输出,并且即使磁场很小,也能输出足够的电流变化,以便识别数据,从而大幅度提高了数据存储的密度。

巨磁阻效应被成功地运用在硬盘生产上。1994年,IBM公司研制成功了巨磁电阻效应的读出磁头,将磁盘记录密度提高了17倍[來源請求],从而使得磁盘在与光盘的竞争中重新回到领先地位。目前,巨磁阻技术已经成为几乎所有计算机、数码相机MP3播放器等的标准技术。

利用巨磁电阻物质在不同的磁化状态下具有不同电阻值的特点,还可以制成磁性随机存储器(MRAM),其优点是在不通电的情况下可以继续保留存储的数据。

除此之外,巨磁阻效应还应用于微弱磁场探测器

参考文献[编辑]