超巨磁电阻效应

物理学效应

通常情况下，物质的电阻率在磁场中仅产生轻微的改变，在特定的条件下，物质电阻率的改变幅度相当大，称为“巨磁电阻效应”(GMR)，而在很强的磁场中，某些绝缘体会突然变为导体，称为“超巨磁电阻效应”(CMR)。

概念

所谓超巨磁阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较无外磁场作用时存在巨大变化的现象。巨磁阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。这种结构由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻；当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。

发展历程

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，但在某种条件下，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)。巨磁阻效应是一种量子力学和凝聚态物理学现象，是磁阻效应的一种，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。

1988年，巴黎十一大学固体物理实验室物理学家阿尔贝-费尔( AlbertFert)的小组将铁、铬薄膜交替制成几十个周期的铁一铬超品格，也称为周期性多层膜，发现当改变磁场强度时，超晶格薄膜的电阻下降近一半，即磁电阻比率达到50%。阿尔贝·费尔用两电流模型解释这种物理现象，并把这种效应命名为巨磁阻效应。

1990年，IBM公司的斯图尔特·帕金(S.P.Parkin)首次报道了除铁-铬超晶格，还有钴-钌和钴-铬超品格也具有巨磁电阻效应。在随后的几年，帕金和世界范围的科学家在过渡金属超晶格和金属多层膜中找到了20种左右具有巨磁电阻振荡现象的不同体系。

2007年诺贝尔物理学奖授予了巨磁电阻效应的发现者——法国物理学家阿尔贝·费尔和德国物理学家彼得·格伦贝格尔。瑞典皇家学会在诺贝尔奖官方网站的介绍中指出，GMR效应应该算是纳米技术在现实中最早的应用。诺贝尔奖评审委员会在宣布2007年诺贝尔物理奖归属时说，这是一次“好奇心导致的发现”i但其随后的应用却不啻为革命性的，因为它使得计算机硬盘的容量从几十MB、几百MB，一跃而提高了几百倍，达到几十GB乃至上百GB (1GB=1024MB)。

原理

在某些通有电流的物体上施加一定强度的磁场时，其电阻会发生变化，这种磁致电阻变化的现象称为磁电阻效应。磁性金属和合金材料一般都能产生这种现象。

对大多数金属，电阻的变化是正的，过渡金属的合金及某些状态下的铁磁体中，其变化是负的。对于半导体，磁电阻效应更显著，特别是锑化铟中，产生磁电阻效应的基本原因是洛伦兹力使载流子的运动方向发生偏折，产生横向电场，改变了载流子的漂移路径，一般是导致其平均漂移路径增大，从而加大了电阻，依据磁电阻效应制作的磁敏电阻。可用于检测设备和各种传感装置。

巨磁阻效应是在铁磁金属/非铁磁金属/铁磁金属的三层或多层纳米结构中发现的。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，其电阻在很弱的外加磁场下，能够产生很大的变化。

巨磁阻效应是一种量子力学和凝聚态物理学现象，于1988年由德国的彼得·格林贝格和法国的艾尔伯·费尔分别独立地发现。两位发现者因此共同获得2007年诺贝尔物理学奖。

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，巨磁阻物质中电流的增大与减小，可定义为逻辑信号的0与1，实现对磁性存储装置的读取；将存储的数据以不同大小的电流进行输出时，即使磁场很微弱也能产生足够的电流变化以供识别，从而大幅度提高了数据存储的密度。

巨磁阻效应具有重要的商业应用价值，已经被成功地运用于硬盘的生产，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；隹技术二巨磁电阻物质还可用于制作磁性随机存储器(MRAM)，巨磁阻效应可用于微弱磁场探测器。

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