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磁阻效应

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磁阻效应(英语:Magnetoresistance,简称MR),是指材料的电阻随着外加磁场之变化而改变的效应,其物理量的定义,是在有无磁场下的电阻差除上原先电阻,用以代表电阻变化率。有多种可以称为磁阻的效应:一些发生在大量非磁性金属和半导体中,例如几何磁阻,舒勃尼科夫-德哈斯振荡或金属中常见的正磁阻[1] 。其他的效应发生在磁性金属中,例如铁磁体中的负磁阻[2]或各向异性磁阻(AMR)。

发现

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磁阻效应最初于1856年由威廉·汤姆森,即后来的开尔文勋爵发现[3],但是在一般材料中,电阻的变化通常小于5%,这样的效应后来被称为“常磁阻”(ordinary magnetoresistance, OMR)。他尝试了片,发现当电流与磁力方向相同时,电阻增加,当电流与磁力成90°时,电阻降低。然后他用做了同样的实验,发现它以同样的方式受到影响,但效果更大。这种效应被称为各向异性磁阻(AMR)。

关于磁阻发现的动画图
Corbino圆盘。随着磁场关闭,由于电池连接在(无限)电导率边缘之间,径向电流在导电环中流动。 当沿着轴线的磁场接通时,洛伦兹力驱动电流的圆形分量,内外边缘之间的电阻上升。这种由于磁场引起的电阻的增加被称为“磁阻”。

在2007年,阿尔贝·费尔彼得·格林贝格共同获得诺贝尔奖,因为发现巨磁阻效应[4]

几何磁阻

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可以在Corbino圆盘上研究由于磁场对电流的直接作用引起的磁阻的一个例子(见图)。它由一个具有完美导电轮辋的导电环组成。当没有磁场时,电池驱动轮缘之间的径向电流。当施加平行于环形轴的磁场时,由于洛伦兹力,电流的圆形分量也流动。 Giuliani提供了圆盘的讨论[5]。这个问题的最初兴趣始于玻尔兹曼,并于1811年由Corbino独立审查[5]

在一个简单的模型中,假设对洛伦兹力的响应与电场相同,载流子速度v由下式给出:

其中μ是载流子迁移率。求解出速度,我们发现:

其中由于B场(对于垂直于该场的运动)的移动性的有效降低是显而易见的。电流(与速度的径向分量成比例)随着磁场的增加而减小,因此器件的电阻将增加。 这种磁阻场景敏感地依赖于器件几何形状和电流线,并且不依赖于磁性材料

各种磁阻效应

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常磁阻(Ordinary Magnetoresistance, OMR)
对所有非磁性金属而言,由于在磁场中受到洛伦兹力的影响,传导电子在行进中会偏折,使得路径变成沿曲线前进,如此将使电子行进路径长度增加,使电子碰撞概率增大,进而增加材料的电阻。
巨磁阻(Giant Magnetoresistance, GMR)
巨磁阻效应存在于铁磁性(如:Fe, Co, Ni)/非铁磁性(如:Cr, Cu, Ag, Au)的多层膜系统,由于非磁性层的磁交换作用会改变磁性层的传导电子行为,使得电子产生程度不同的磁散射而造成较大的电阻,其电阻变化较常磁阻大上许多,故被称为“巨磁阻”。1988年由法国物理学家阿尔贝·费尔与德国物理学家彼得·格林贝格分别发现的巨磁阻效应,也被视为是自旋电子学的发源。
超巨磁阻(Colossal Magnetoresistance, CMR)
超巨磁阻效应存在于具有钙钛矿(Perovskite)ABO3的陶瓷氧化物中。其磁阻变化随着外加磁场变化而有数个数量级的变化。其产生的机制与巨磁阻效应(GMR)不同,而且往往大上许多,所以被称为“超巨磁阻”。
异向磁阻(Anisotropic magnetoresistance, AMR)
有些材料中磁阻的变化,与磁场和电流间夹角有关,称为异向性磁阻效应。此原因是与材料中s轨道电子与d轨道电子散射的各向异性有关。
隧穿磁阻效应(Tunnel Magnetoresistance, TMR)
隧穿磁阻效应是指在铁磁-绝缘体薄膜(约1奈米)-铁磁材料中,其隧穿电阻大小随两边铁磁材料相对方向变化的效应。此效应首先于1975年由Michel Julliere在铁磁材料(Fe)与绝缘体材料(Ge)发现;室温隧穿磁阻效应则于1995年,由Terunobu Miyazaki与Moodera分别发现。此效应更是磁阻式随机存取记忆体(MRAM)与硬盘中的磁性读写头的科学基础。

参阅

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参考资料

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  1. ^ A.B. Pippard: Magnetoresistance in Metals, Cambridge University Press (1989)
  2. ^ Coleman, R.V.; Isin, A., Magnetoresistance in Iron Single Crystals, Journal of Applied Physics, 1966, 37: 1028, Bibcode:1966JAP....37.1028C, doi:10.1063/1.1708320 
  3. ^ Thomson, W., On the Electro-Dynamic Qualities of Metals:—Effects of Magnetization on the Electric Conductivity of Nickel and of Iron (PDF), Proc. Royal Soc. London, 18 June 1857, 8: 546–550 [2017-07-04], doi:10.1098/rspl.1856.0144, (原始内容存档 (PDF)于2017-03-04) 
  4. ^ The Nobel Prize in Physics 2007, Nobel Media AB, 9 Oct 2007 [25 Jun 2014], (原始内容存档于2017-07-01) 
  5. ^ 5.0 5.1 G Giuliani,. A general law for electromagnetic induction. EPS. 2008, 81 (6): 60002. Bibcode:2008EL.....8160002G. arXiv:1502.00502可免费查阅. doi:10.1209/0295-5075/81/60002.