巨磁阻效应

巨磁阻效应（英語：Giant Magnetoresistance，缩写：GMR）是一种量子力学和凝聚体物理学现象，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。2007年诺贝尔物理学奖被授予发现巨磁阻效应（GMR）的彼得·格林贝格和艾尔伯·费尔。

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碟生产上，具有重要的商业应用价值。

现象

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）表示等效电阻，较小的电阻器代表电阻值较大，较大的电阻器代表电阻较小。

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

 

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的彼得·格林贝格和巴黎第十一大学的艾尔伯·费尔分别独立发现的^[1][2]，他们因此共同获得2007年诺贝尔物理学奖^[3]。

格林贝格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%。

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

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。

参阅

• 磁阻效应
• 超巨磁阻效应

参考资料

1. Binasch, G.; Grunberg; Saurenbach; Zinn. Enhanced magnetoresistance in layered magnetic structures with antiferromagnetic interlayer exchange. Physical Review B. 1989, 39 (7): 4828. Bibcode:1989PhRvB..39.4828B. doi:10.1103/PhysRevB.39.4828. 
2. Baibich, M. N.; Broto; Fert; Nguyen Van Dau; Petroff; Etienne; Creuzet; Friederich; Chazelas. (PDF). Physical Review Letters. 1988, 61 (21): 2472–2475. Bibcode:1988PhRvL..61.2472B. PMID 10039127. doi:10.1103/PhysRevLett.61.2472. （原始内容 (PDF)存档于2014-01-21）. 
3. The Nobel Prize in Physics 2007. NobelPrize.org. [2011-02-27]. （原始内容存档于2011-08-10）. 

参考文献

• Giant Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic Superlattices （页面存档备份，存于互联网档案馆）. M. N. Baibich, J. M. Broto, A. Fert, F. Nguyen Van Dau, and F. Petroff, Laboratoire de Physique des Solides, Université Paris-Sud, F-91405 Orsay, France; P. Eitenne, G. Creuzet, A. Friederich, and J. Chazelas, Laboratoire Central de Recherches, Thomson CSF, B.P. 10, F-91401 Orsay, France, 24 August 1988.
• Enhanced magnetoresistance in layered magnetic structures with antiferromagnetic interlayer exchange （页面存档备份，存于互联网档案馆）. G. Binasch, P. Grünberg, F. Saurenbach, and W. Zinn, Institut für Festkörperforschung, Kernforschungsanlage Jülich G.m.b.H., Postfach 1913, D-5170 Jülich, West Germany, 31 May 1988.
• 中国科学院：，武汉物理与数学研究所，2005年2月23日。
• 中国科学技术信息研究所：，2003年7月31日。
• 陳勁豪：。
• Hamish Johnston：Nobel prize recognizes GMR pioneers （页面存档备份，存于互联网档案馆），physicsworld.com，2007年10月9日。
• Hamish Johnston文，葛韶锋译：巨磁阻效应的发现者获得2007年诺贝尔物理学奖，2007年10月。
• Nanotechnology gives sensitive read-out heads for compact hard disks （页面存档备份，存于互联网档案馆）. Nobelprize.org, The Nobel Prize in Physics 2007, 9 October 2007.