巨磁電阻

巨磁阻效應（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。巨磁電阻就是電阻值對磁場變化巨敏感的一種電阻材料。

基本介紹

• 中文名：巨磁電阻
• 外文名：GMR
• 簡寫：GMR
• 定義：磁性材料的電阻率在有外磁場作
• 原理：根據導電的微觀機理

簡介

巨磁阻效應（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，具有重要的商業套用價值。

現象

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）。

圖1.巨磁阻效應示意圖

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

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，他們因此共同獲得2007年諾貝爾物理學獎。

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套用上的重要性。

套用

巨磁阻效應在高密度讀出磁頭、磁存儲元件上有著廣泛的套用。隨著技術的發展，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碟生產上。1994年，IBM公司研製成功了巨磁電阻效應的讀出磁頭，將磁碟記錄密度提高了17倍，從而使得磁碟在與光碟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、數位相機和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，巨磁阻效應還套用於微弱磁場探測器。

參閱

• 磁阻效應
• 超巨磁阻效應