巨磁电阻实验.docVIP

巨磁电阻效应及其应用 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)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, 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, 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, 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GMR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