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巨磁電阻(GMR)效應是指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時較之無外磁場作用時存在顯著變化的現象

1基本簡介

原理
根據導電的微觀機理,電子在導電時並不是沿電場直線前進,而是不斷和晶格中的原子產生碰撞(又稱散射),每次散射后電子都會改變運動方向,總的運動是電場對電子的定向加速與這種無規散射運動的疊加。稱電子在兩次散射之間走過的平均路程為平均自由程,電子散射幾率小,則平均自由程長,電阻率低。電阻定律R=ρl/S中,把電阻率ρ視為常數,與材料的幾何尺度無關,這是忽略了邊界效應。當材料的幾何尺度小到納米量級,只有幾個原子的厚度時(例如,銅原子的直徑約為0.3nm),電子在邊界上的散射幾率大大增加,可以明顯觀察到厚度減小,電阻率增加的現象。
電子除攜帶電荷外,還具有自旋特性,自旋磁矩有平行或反平行於外磁場兩種可能取向。早在1936年,就有理論指出,在過渡金屬中,自旋磁矩與材料的磁場方向平行的電子,所受散射幾率遠小於自旋磁矩與材料的磁場方向反平行的電子。總電流是兩類自旋電流之和;總電阻是兩類自旋電流的並聯電阻,這就是所謂的兩電流模型。
在多層膜巨磁電阻結構中,無外磁場時,上下兩層磁性材料是反平行(反鐵磁)耦合的。施加足夠強的外磁場后,兩層鐵磁膜的方向都與外磁場方向一致,外磁場使兩層鐵磁膜從反平行耦合變成了平行耦合。電流的方向在多數應用中是平行於膜面的。
有兩類與自旋相關的散射對巨磁電阻效應有貢獻。
其一,界面上的散射。無外磁場時,上下兩層鐵磁膜的磁場方向相反,無論電子的初始自旋狀態如何,從一層鐵磁膜進入另一層鐵磁膜時都面臨狀態改變(平行-反平行,或反平行-平行),電子在界面上的散射幾率很大,對應於高電阻狀態。有外磁場時,上下兩層鐵磁膜的磁場方向一致,電子在界面上的散射幾率很小,對應於低電阻狀態。
其二,鐵磁膜內的散射。即使電流方向平行於膜面,由於無規散射,電子也有一定的幾率在上下兩層鐵磁膜之間穿行。無外磁場時,上下兩層鐵磁膜的磁場方向相反,無論電子的初始自旋狀態如何,在穿行過程中都會經歷散射幾率小(平行)和散射幾率大(反平行)兩種過程,兩類自旋電流的並聯電阻相似兩個中等阻值的電阻的並聯,對應於高電阻狀態。有外磁場時,上下兩層鐵磁膜的磁場方向一致,自旋平行的電子散射幾率小,自旋反平行的電子散射幾率大,兩類自旋電流的並聯電阻相似一個小電阻與一個大電阻的並聯,對應於低電阻狀態。

2發現應用

物理學獎
這兩位科學家都比較喜歡音樂。費爾最喜歡的樂手是美國爵士樂鋼琴家塞羅尼斯·蒙克,而格林貝格爾對古典音樂十分痴迷,他還是一名吉他愛好者。
費爾1938年3月出生於法國南部小城卡爾卡索納,1970年在南巴黎大學獲博士學位,1976年開始擔任南巴黎大學教授。自1995年以來,費爾還一直擔任法國國家科研中心與法國泰雷茲集團組建的聯合物理實驗室科學主管。費爾於2004年當選法國科學院院士。
格林貝格爾1939年出生於比爾森,1969年在達姆施塔特技術大學獲博士學位,1972年開始擔任德國於利希研究中心教授,2004年退休。
格林貝格爾的知識產權保護意識比較強。兩位科學家1988年發現「巨磁電阻」效應時意識到,這一發現可能產生巨大影響。格林貝格爾為此還申請了專利。
目前,根據這一效應開發的小型大容量電腦硬碟已得到廣泛應用。兩位科學家此前已經因為發現「巨磁電阻」效應而獲得多個科學獎項。

3知識補充

IP應用
2.為什麼巨磁電阻效應能應用到計算機硬碟上?
答:計算機硬碟的常用材料是磁性材料,磁頭在寫數據的時候改變硬碟表面磁性材料單元的極性以記錄0和1,在讀取數據的時候,需要探頭能夠識別表面單元的極性,這時就可以用巨磁電阻---考慮一個用巨磁電阻做的探頭從一個單元移到另一個單元的過程,如果兩個單元表面極性相同,那麼探頭表面的磁場強度似乎(我也不確切了解這方面原理,只是推測)應當變化不大,於是探頭的電阻變化也不大;如果兩個單元表面極性相反,那麼探頭表面的磁場強度似乎應當經歷一個從大到小再到大的過程,於是探頭的電阻值會出現一個尖峰(探測電阻很容易,只需要加恆定壓測電流)。只需要判斷有沒有這個尖峰出現就可以知道相鄰兩個單元的極性是否不同,再由某個已知極性的單元就可以推斷當前單元的極性。電阻隨磁場的變化越劇烈,探頭的解析度必然越好,於是會導致單位面積的硬碟容量越來越大,因此有必要對巨磁電阻理論的創始人心存感恩。

產生材料

哪些材料能夠產生巨磁電阻效應
1,在摻雜鈣鈦礦型錳氧化物R1-xAxMnO3中發現巨磁電阻(GMR), 其中1989年在摻雜鈣鈦礦型錳氧化物R1-xAxMnO3(其中A為二價鹼土金屬離子,如Ca2+、Sr2+、Ba2+等,R為三價稀土金屬離子,如La3+、Pr3+、Tb3+、Sm3+等)中發現巨磁電阻(GMR),由於其在磁記錄、磁感測器等方面潛在的應用前景,以及金屬-絕緣體相變等所涉及的強關聯效應,使該類化合物吸引了物理學界的廣泛注意。2,鈣鈦礦型錳氧化物La1-xCaxMnO3具有較大的磁熱效應七十年代末至八十年代初,人們在半導體材料以及順磁材料中發現了由量子相干效應(由於無序而加強的載流子庫侖相互作用)導致的正磁電阻,並建立了一套基於無序的理論來解釋所觀察到的實驗現象。去年, Manyala在Fe1-XCoXSi中首次觀察到鐵磁材料中的由量子相干效應導致的正磁電阻。另一方面,人們又在1997年首次發現鈣鈦礦型錳氧化物La1-xCaxMnO3具有較大的磁熱效應后[40,41],鈣鈦礦型錳氧化物的磁熱效應引起了人們的注意。3,La07Pb03MnO3單晶樣品的由量子相干效應導致的正磁電阻效應、A05Sr05MnO3 (A= Pr, Nd) 的巨磁熱效應、多晶鋅鐵氧體和多晶NiXFe1-XS的巨磁電阻效應

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同義詞:暫無同義詞