巨磁电阻( Giant magneto resistance, 简称GMR)效应表示在一个巨磁电阻系统中, 非常弱小的磁性变化就能导致巨大的电阻变化的特殊效应. 法国科学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)和德国科学家彼得·格林贝格尔( Peter Grunberg )因分别独立发现巨磁阻效应而共同荣膺2007年诺贝尔物理学奖.
GMR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. 在量子力学出现后, 德国科学家海森伯(W. Heisenberg, 1932年诺贝尔奖得主)明确提出铁磁性有序状态源于铁磁性原子磁矩之间的量子力学交换作用, 这个交换作用是短程的, 称为直接交换作用. 随后, 科学家们又发现很多的过渡金属和稀土金属的化合物也具有反铁磁有序状态, 即在有序排列的磁材料中, 相邻原子因受负的交换作用, 自旋为反平行排列, 如图1所示. 此时磁矩虽处于有序状态, 但总的净磁矩在不受外场作用时仍为零. 这种磁有序状态称为反铁磁性. 反铁磁性通过化合物中的氧离子(或其他非金属离子)陶粒砂过滤将最近的磁性原子的磁矩耦合起来, 属于间接交换作用. 此外, 在稀土金属中也出现了磁有序, 其中原子的固有磁矩来自4f电子壳层. 相邻稀土原子的距离远大于4f电子壳层直径, 所以稀土金属中的传导电子担当了中介, 将相邻的稀土原子磁矩耦合起来, 这就是RKKY型间接交换作用.
直接交换作用的特征长度为0.1—0.3nm, 间接交换作用可以长达1nm以上. 据此美国IBM实验室的江崎和朱兆祥提出了超晶格的概念．所谓的超晶格就是指由两种（或两种以上）组分（或导电类型）不同、厚度极小的薄层材料交替生长在一起而得到的一种多周期结构材料, 其特点是这种复合材料的周期长度比各薄膜单晶的晶格常数大几倍或更长. 上世纪八十年代, 制作高质量的纳米尺度样品技术的出现使得金属超晶格成为研究前沿. 因此凝聚态物理工作者对这类人工材料的磁有序, 层间耦合, 电子输运等进行了广泛的基础方面的研究. 其中相关的代表性研究工作简介如下.
其一是德国尤利希科研中心的物理学家彼得·格伦贝格尔. 他一直致力于研究铁磁性金属薄膜表面和界面上的磁有序状态, 其研究对象是一个三明治结构的薄膜, 两层厚度约10nm的铁层之间夹有厚度为1nm的铬层. 之所以选择选择这一材料系统, 首先是因为金属铁和铬是周期表上相近的元素, 具有类似的电子壳层, 容易实现两者的电子状态匹配. 其次机器人拉车, 金属铁和铬的晶格对称性和晶格常数相同, 它们之间晶格结构相匹配. 这两类匹配非常有利于对基本物理过程进行探索. 尽管如此, 长期以来该课题组所获得的三明治薄膜仅为多晶体. 随着制备薄膜技术的发展, 分子束外延(MBE)方法的应用才使得结构完整的单晶样品得以问世, 其成分依然是铁-铬-铁三层膜. 此后, 为了进一步获得铁磁矩的有关信息, 科研工作者将光散射
应用于对金属三层膜进行相关研究. 在实验过程中, 薄膜上的外磁场被逐步减小直至消失. 结果发现, 在铬层厚度为0.8nm碱土夜光材料的铁-铬-铁三明治中, 两边的两个铁磁层磁矩从彼此平行(较强磁场下)转变为反平行(弱磁场下). 亦即, 对于非铁磁层铬的某个特定厚度耳光室, 在无外磁场时, 两边铁磁层磁矩处于反平行状态, 这一现象成为巨磁电阻效应出现的前奏. 在对这一现象的进一步研究过程中, 格伦贝格尔等发现当两个磁矩反平行时,铁-铬-铁三明治呈现高电阻状态. 而当两个磁矩平行时, 则对应与其低电阻状态, 且两种不同状态下的阻值差高达10%. 之后, 格伦贝格尔将此结果写成论文,并申请了将这种效应和材料应用于硬盘磁头的专利.
另一位科研工作者是巴黎十一大学固体物理实验室物理学家阿尔贝·费尔, 其课题组将铁、铬薄膜交替制成几十个周期的铁-铬超晶格, 亦称周期性多层膜. 通过对此类物质的研究, 他们发现了当改变磁场强度时, 保护膜印刷超晶格薄膜的电阻下降近一半, 即磁电阻比率达到50%. 据此该现象被命名为巨磁电阻现象, 并用两电流模型予以合理解释. 显然, 该周期性多层膜可视为若干个格伦贝格尔三明治的重叠, 因此德国和法国的这两个独立发现实属同一个物理现象.
除了上述两位诺贝尔奖获得者的开创性工作, IBM公司的斯图尔特·帕金( S. P. Parkin )将G
MR的制作材料做了进一步推广, 为其工业化应用奠定了基础. 他于1990年首次报道了铁-铬超晶格系列之外的钴-钌和钴-铬超晶格体系亦有巨磁电阻效应, 并且随着非磁层厚度增加, 其磁电阻值振荡下降. 此后, 科学家在过渡金属超晶格和金属多层膜中又发现了20种左右不同的体系均存在巨磁电阻振荡现象. 帕金的工作首先为寻更多的GMR材料开辟了广阔空间新型玉米播种机, 为寻适合硬盘的GMR材料提供了可能, 1997年制成了GMR磁头即是其成功之一. 其次, 在薄膜制备方法上帕金采用较普通的磁控溅射技术用以替代精密的MBE方法, 并使之成为工业生产多层膜的标准. 磁控溅射技术克服了物理发现与产业化之间的障碍, 使巨磁电阻成为基础研究快速转换为商业应用的国际典范. 同时, 巨磁电阻效应也被认为是纳米技术的首次真正应用.
巨磁电阻效应发现的另一重大意义在于打开了一扇通向新技术世界的大门—自旋电子学. GMR作为自旋电子学的开端具有深远的科学意义. 传统的电子学是以电子的电荷移动为基础的, 电子自旋往往被忽略了. 巨磁电阻效应表明电子自旋对于电流的影响非常强烈, 电子的电荷与自旋两者都可能载运信息. 自旋电子学的研究和发展引发了电子技术与信息技术的一场新的革命. 目前电脑, 音乐播放器等各类数码电子产品中所装备的硬盘磁头, 基本上都应用了巨磁电阻效应. 利用巨磁电阻效应制成的多种传感器, 已广泛应用于各种测控领域.
除利用铁磁膜-金属膜-铁磁膜的GMR效应外, 由两层铁磁膜夹一极薄的绝缘膜或半导体膜构成的隧穿磁阻(TMR)效应, 已显示出比GMR效应更高的灵敏度. 此外, 在单晶和多晶等多种形态的钙钛矿结构的稀土锰酸盐, 以及一些磁性半导体中, 都发现了巨磁电阻效应.
实验目的
1 了解GMR效应的原理.
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