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巨磁阻效应  

2014-06-12 13:18:59|  分类: 科学 |  标签: |举报 |字号 订阅

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巨磁阻效应(Giant Magnetoresistance)是一种量子力学和凝聚态物理学现象,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。
物质在一定磁场下电阻改变的现象,称为“磁阻效应”,磁性金属和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!)巨磁阻效应 - lbw2007 - lbw2007
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。巨磁阻效应 - lbw2007 - lbw2007
  

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。

瑞典皇家科学院2007年10月9日宣布,法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔共同获得2007年诺贝尔物理学奖。这两名科学家获奖的原因是先后独立发现了“巨磁电阻”(Giant MagnetoResistance,GMR)效应。所谓“巨磁电阻”效应,是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。根据这一效应开发的小型大容量计算机硬盘已得到广泛应用。
瑞典皇家科学院在评价这项成就时表示,2007年的诺贝尔物理学奖主要奖励“用于读取硬盘数据的技术,得益于这项技术,硬盘在近年来迅速变得越来越小”。这项技术被认为是“前途广阔的纳米技术领域的首批实际应用之一”。得益于“巨磁电阻”效应这一重大发现,最近20多年来,我们开始能够在笔记本电脑、音乐播放器等所安装的越来越小的硬盘中存储海量信息。

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[来源请求],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、数码相机和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。

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