巨磁电阻效应与自旋电子学

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1、巨磁电阻效应与自旋电子学黄志高福建师范大学物理与光电信息科技学院一、２００７年诺贝尔物理学奖法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔因发现巨磁电阻效应而荣获2007年诺贝尔物理学奖。据悉，巨磁电阻效应相关技术被用于读取硬盘中数据，这项技术是最近几年硬盘小型化实现过程中的关键。瑞典斯德科尔摩皇家科学院发布的颁奖声明称，阿尔贝·费尔和彼得·格林贝格尔1988年各自独立发现了一种全新的物理效应-巨磁电阻效应，即一个微弱的磁场变化可以在巨磁电阻系统中产生很大的电阻变化。该系统非常有助于从硬盘中读取数据，因为机器在读取数据时必须把用磁记录的信息转换成电流。随着这项发现公布，一些研究者和

2、工程师开始在制作读取头中加以应用，1997年首个应用巨磁电阻效应的读取头研制成功，很快成为标准技术，即便今天最新的读取技术也均由巨磁电阻效应发展而来。阿尔贝·费尔1938年3月7日出生于法国的卡尔卡松，已婚并有两个孩子。1962年，费尔在巴黎高等师范学院获数学和物理硕士学位。1970年，费尔从巴黎第十一大学获物理学博士学位。阿尔贝·费尔目前为巴黎第十一大学物理学教授。费尔从1970年到1995年一直在巴黎第十一大学固体物理实验室工作。后任研究小组组长。1995年至今则担任国家科学研究中心-Thales集团联合物理小组科学主管。1988年，费尔发现巨磁电阻效应，同时他对自旋电子学作出过许

3、多贡献。费尔在获得诺贝尔奖之前已经取得多种奖项，包括1994年获美国物理学会颁发的新材料国际奖，1997年获欧洲物理协会颁发的欧洲物理学大奖，以及2003年获法国国家科学研究中心金奖。德国科学家彼得·格林贝格尔1939年5月18日出生。从1959年到1963年，格林贝格尔在法兰克福约翰-沃尔夫冈-歌德大学学习物理，1962年获得中级文凭，1969年在达姆施塔特技术大学获得博士学位。1988年，格林贝格尔在尤利西研究中心研究并发现巨磁电阻效应；1992年被任命为科隆大学兼任教授；2004年在研究中心工作32年后退休，但仍在继续工作。格林贝格尔在学术方面获奖颇丰，包括1994年获美国物理学

4、会颁发的新材料国际奖(与阿尔贝·费尔、帕克林共同获得)；1998年获由德国总统颁发的德国未来奖；2007年获沃尔夫基金奖物理奖(与阿尔贝·费尔共同获得)。1997年，第一个基于“巨磁电阻”效应的数据读出头问世，并很快引发了硬盘的“大容量、小型化”革命。如今，笔记本电脑、音乐播放器等各类数码电子产品中所装备的硬盘，基本上都应用了“巨磁电阻”效应，这一技术已然成为新的标准。瑞典皇家科学院的公报介绍说，另外一项发明于上世纪70年代的技术，即制造不同材料的超薄层的技术，使得人们有望制造出只有几个原子厚度的薄层结构。由于数据读出头是由多层不同材料薄膜构成的结构，因而只要在“巨磁电阻”效应依然起作

5、用的尺度范围内，科学家未来将能够进一步缩小硬盘体积，提高硬盘容量。小硬盘中的大发现——“巨磁电阻”效应二、研究背景及意义88年，磁性多层膜的巨磁电阻效应92年，颗粒膜的巨磁电阻效应93年，掺杂氧化物的巨磁电阻效应94年，磁性随机存储器95年，自旋电子学--一门新兴学科的诞生1自旋电子的发展94-至今自旋电子材料的应用(1)磁电阻(MR)磁性传感器比半导体和金属合金磁性传感器性能更优异,稳定性更好.(2)MR磁记录读出磁头灵敏度高是实现新型超高密度磁记录的关键技术MR磁记录读出磁头灵敏度高是实现新型超高密度磁记录的关键技术(1)磁电阻(MR)磁性传感器比半导体和金属合金磁性传感器性能更优

6、异,稳定性更好.(2)MR磁记录读出磁头灵敏度高是实现新型超高密度磁记录的关键技术(3)MR随机存储器94-至今自旋电子材料的应用Writing0Writing1记录单元2、磁电阻式1、电容式go…go…随机存储器半导体随机存储器Write“0”Write“1”缺点：断电时存储的信息容易丢失结构图:原理图:记录介质介质介质电极1电极2介质非磁层磁层1磁层2磁性随机存储器——自旋电子材料一个重要应用结构:原理:记录介质优点：断电时存储的信息不丢失不同电子自旋排列表示“0”和“1”Write“0”Write“1”FM(Co(001))NM(Cu(001))(Al-O)FM(Ni-Fe)2自

7、旋电子材料的重要效应:自旋相关散射(磁电阻效应)上下自旋平行时电子容易通过--低电阻态上下自旋反平行时电子被散射—高电阻态M.N.Baibichetal.,Phys.Rev.Lett.61,2472(1988).三自旋电子（磁电阻）材料块材CMR、铁氧体、半金属氧化物嵌于CMR、半金属材料、磁性半导体的磁性原子团的自旋相关隧穿CMR材料的磁电阻实验结果**磁性多层膜与磁性超晶格Fe/Cr,Co/Cu,Fe/AgConductorTunnelin