巨磁阻效應
巨磁阻效應（英語：Giant Magnetoresistance，縮寫：GMR）是一種量子力學和凝聚體物理學現象，磁阻效應的一種，可以在磁性材料和非磁性材料相間的薄膜層（幾個納米厚）結構中觀察到。2007年諾貝爾物理學獎被授予發現巨磁阻效應（GMR）的彼得·格林貝格和艾爾伯·費爾。
這種結構物質的電阻值與鐵磁性材料薄膜層的磁化方向有關，兩層磁性材料磁化方向相反情況下的電阻值，明顯大於磁化方向相同時的電阻值，電阻在很弱的外加磁場下具有很大的變化量。巨磁阻效應被成功地運用在硬碟生產上，具有重要的商業應用價值。
巨磁阻的主要應用是磁場傳感器，可讀取硬盤、生物傳感器、微機電系統等設備中的數據；其多層結構也被用於作為存儲一位元信息的單元的磁阻隨機存取存儲器（MRAM）。
現象
[編輯]物質在一定磁場下電阻改變的現象，稱為「磁阻效應」，磁性金屬和合金材料一般都有這種磁電阻現象，通常情況下，物質的電阻率在磁場中僅產生輕微的減小；在某種條件下，電阻率減小的幅度相當大，比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻值約高10餘倍，稱為「巨磁阻效應」（GMR）；而在很強的磁場中某些絕緣體會突然變為導體，稱為「超巨磁阻效應」（CMR）。
如右圖所示，左面和右面的材料結構相同，兩側是磁性材料薄膜層（藍色），中間是非磁性材料薄膜層（橘色）。
左面的結構中，兩層磁性材料的磁化方向相同。
- 當一束自旋方向與磁性材料磁化方向都相同的電子通過時，電子較容易通過兩層磁性材料，都呈現小電阻。
- 當一束自旋方向與磁性材料磁化方向都相反的電子通過時，電子較難通過兩層磁性材料，都呈現大電阻。這是因為電子的自旋方向與材料的磁化方向相反，產生散射，通過的電子數減少，從而使得電流減小。
右面的結構中，兩層磁性材料的磁化方向相反。
- 當一束自旋方向與第一層磁性材料磁化方向相同的電子通過時，電子較容易通過，呈現小電阻；但較難通過第二層磁化方向與電子自旋方向相反的磁性材料，呈現大電阻。
- 當一束自旋方向與第一層磁性材料磁化方向相反的電子通過時，電子較難通過，呈現大電阻；但較容易通過第二層磁化方向與電子自旋方向相同的磁性材料，呈現小電阻。
發現
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巨磁阻效應在1988年由德國於利希研究中心的彼得·格林貝格和巴黎第十一大學的艾爾伯·費爾分別獨立發現的[1][2]，他們因此共同獲得2007年諾貝爾物理學獎[3]。
格林貝格的研究小組在最初的工作中只是研究了由鐵、鉻、鐵三層材料組成的結構物質，實驗結果顯示電阻下降了1.5%。而費爾的研究小組則研究了由鐵和鉻組成的多層材料，使得電阻下降了50%。
格林貝格和於利希研究中心享有巨磁阻技術的一項專利，他最初提交論文的時間要比費爾略早一些（格林貝格於1988年5月31日，費爾於1988年8月24日），而費爾的文章發表得更早（格林貝格於1989年3月，費爾於1988年11月）。費爾準確地描述了巨磁阻現象背後的物理原理，而格林貝格則迅速看到了巨磁阻效應在技術應用上的重要性。
應用
[編輯]巨磁阻效應在高密度讀出磁頭、磁存儲元件上有着廣泛的應用。隨着技術的發展，當存儲數據的磁區越來越小，存儲數據密度越來越大，這對讀寫磁頭提出更高的要求。巨磁阻物質中電流的增大與減小，可以定義為邏輯信號的0與1，進而實現對磁性存儲裝置的讀取。巨磁阻物質可以將用磁性方法存儲的數據，以不同大小的電流輸出，並且即使磁場很小，也能輸出足夠的電流變化，以便識別數據，從而大幅度提高了數據存儲的密度。
巨磁阻效應被成功地運用在硬盤生產上。1994年，IBM公司研製成功了巨磁電阻效應的讀出磁頭，將磁盤記錄密度提高了17倍[來源請求]，從而使得磁盤在與光盤的競爭中重新回到領先地位。目前，巨磁阻技術已經成為幾乎所有計算機、數碼相機和MP3播放器等的標準技術。
利用巨磁電阻物質在不同的磁化狀態下具有不同電阻值的特點，還可以製成磁性隨機存儲器（MRAM），其優點是在不通電的情況下可以繼續保留存儲的數據。
除此之外，巨磁阻效應還應用於微弱磁場探測器。
參閱
[編輯]參考資料
[編輯]- ^ 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.
- ^ Baibich, M. N.; Broto; Fert; Nguyen Van Dau; Petroff; Etienne; Creuzet; Friederich; Chazelas. Giant Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic Superlattices (PDF). Physical Review Letters. 1988, 61 (21): 2472–2475. Bibcode:1988PhRvL..61.2472B. PMID 10039127. doi:10.1103/PhysRevLett.61.2472. （原始內容 (PDF)存檔於2014-01-21）.
- ^ The Nobel Prize in Physics 2007. NobelPrize.org. [2011-02-27]. （原始內容存檔於2011-08-10）.
參考文獻
[編輯]- Giant Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic Superlattices （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）. 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 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）. 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.
- 中國科學院：張裕恆講述巨磁電阻效應發展趨勢，武漢物理與數學研究所，2005年2月23日。
- 中國科學技術信息研究所：巨磁電阻材料，2003年7月31日。
- 陳勁豪：物理：2007年諾貝爾物理學獎：巨磁阻效應。
- Hamish Johnston：Nobel prize recognizes GMR pioneers （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館），physicsworld.com，2007年10月9日。
- Hamish Johnston文，葛韶鋒譯：巨磁阻效應的發現者獲得2007年諾貝爾物理學獎，2007年10月。
- Nanotechnology gives sensitive read-out heads for compact hard disks （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）. Nobelprize.org, The Nobel Prize in Physics 2007, 9 October 2007.