15.巨磁电阻效应

人类对电现象和磁现象很早就有所认识，但将它们在本质上关联起来，却是1820年之后的事。

奧斯特(Orested,1777年-1851年)是丹麥物理學家，哥本哈根大学物理教授。1820年的春天，好几个月以来他都一直沉迷于有关电和磁方面的实验，想找出其中的联系。

他把磁針放在一个充满电的莱顿瓶旁边，磁针纹丝不动。

“莱顿瓶带的是静电，也许需要使用电流？”奥斯特一边想，一边用伏打电源接通电路，但磁针仍然毫无反应。那天傍晚，奧斯特带着满脑子的疑惑和各种改进实验的想法，走进了教室，为学生们上电学课。课程快结束时，奧斯特准备向学生演示他的电路实验，旁边还放着那个总是岿然不动而令他十分沮丧的小磁针。不过，这时奧斯特突然灵机一动，他把那个磁针的位置相对导线而言转了个90度。接下来，当奧斯特连通电源的那一霎那，他发现磁针明显地摆动了一下！磁针这个小小的动作让奥斯特惊喜若狂，也就从这一天开始，人们才逐渐认识了电和磁之间的紧密联系。

之后，法拉第发现电磁感应，特斯拉发明交流电，麦克斯韦创立了经典电磁理论，再后来，原子模型和量子理论的建立，使我们对电和磁的本质及相互联系有了更深刻的认识。

磁性的本质是什么？归根结底还是与电有关。物质的结构决定了物质的性质。磁性是来源于原子中电子的自旋运动和轨道运动。

在计算机和通讯技术的发展中，电磁学大展身手。硅半导体材料及其构成的大规模集成电路的研发，导致了微型计算机的出现和整个信息产业的飞跃，使电子技术迈进了一个全新的时代。我们都知道，计算机中的最重要部分是CPU和硬盘。CPU决定运算的速度，包含了异常复杂的电子线路，硬盘用作信息储存，其物理原理则是基于物质的磁性。无论是CPU还是硬盘，几十年来都是体积越来越小而容量则越来越大。

1956年9月，IBM向世界展示了第一台磁盘存储系统（RAMAC），可算是世界上第一个硬盘。它相当于两个冰箱那么大的体积，重量超过1吨，存储容量却只有5MB。而现在的存储容量是它的上千倍的微硬盘，体积却不过硬币大小。这种惊人的变化，要归功于科学和技术的力量，归功于‘磁电阻效应’的应用，特别是要归功于‘巨磁电阻效应’（GMR，Giant Magneto Resistance）的发现和应用。

什么是磁电阻效应？顾名思义，磁电阻效应是指金属的电阻受磁场的影响而变化的一种现象，用变化的相对百分比（MR）来表征。一般金属导电时都有磁电阻效应，并具有如下三个基本特点：有磁场时的电阻比磁场为0时的电阻更大、MR的数值很小、各向异性。

那么，什么又是巨磁电阻效应呢？

巨磁电阻效应是1988年由法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔分别独立研究而发现的^【1，2】。

两位科学家研究的是纳米级别的铁鉻相间（Fe/Cr）多层结构。这种结构的制备要归功于1960年代后期贝尔实验室的华人科学家卓以和（AlfredY. Cho）和他的同事亚瑟（J. R. Arthur）发明的分子束外延技术（MBE）。MBE是为单晶材料的生长而研究开发的，但受益的却远远不止芯片制造，它还促进了各种材料科学的发展。

纳米级别是多大呢？我们知道原子大小的数量级是‘埃’，1‘埃’等于10^-10米，也就是0.1纳米。所以，纳米科学就是在原子的尺度上研究和操控原子的科学。

纳米技术的想法最早来自于著名的理论物理学家理查德·费曼。费曼对物理以及相关技术的远见卓识无与伦比，他1981年在波士顿MIT的报告，揭开了量子计算机研发的序幕，而早在1959年，他在美国物理学会年会上所作的着名演讲《在底部还有很大空间》中的天才预言^【3】，便是如今热门的纳米技术的灵感来源。

费曼在报告中提出了一个新的想法，如果我们能够从单个的分子甚至原子开始进行组装和控制，以达到我们的要求的话，这将会极大地扩充我们获得物性的范围。他说：“至少在我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”

这正是现在从事纳米研究的物理学家和工程师们所做的，纳米技术在许多领域中都取得了不凡的成就，从此节开始，我们将介绍几项与半导体材料相关的前沿研究。

刚才提到的分子束外延技术MBE以及1982年扫描隧道显微镜的诞生，为纳米研究人员扫除了障碍，克服了瓶颈，对纳米科技的发展，起了积极的推动作用。

第一个晶体管发明者之一的肖克利，把BJT设计成夹心饼干模样。从此后，材料科学家们喜欢上了这种结构，用各种不同的材料来做各种不同的多层夹心饼干。特别是他们有了MBE，夹心饼干做起来方便多了，一层一层地，相同材料或不同材料，加上去，又加上去，再加上去……固体的结构方式似乎可以随心所欲地人为生成。这种说法有点夸张，做起来绝对不是像我们现在说起来那么轻巧容易的。但无论如何，研究纳米材料的科学家们辛苦工作、乐此不疲。

巨磁电阻效应就是在这种‘铁鉻铁’的三明治（或多明治）结构中观察到的一种‘磁电阻效应’。不过，这种效应与原来通常磁电阻效应的三个基本特点完全相反：有磁场时电阻最小、MR的数值很大、各向同性。因而，人们才给它取了另外一个名字：巨磁电阻效应。

图15.1：巨磁电阻效应

如图15.1所示，巨磁电阻效应所用的材料，是在每两层铁磁性材料之间，夹上一层非磁性金属。当没有外加磁场时，相邻的铁磁材料的磁化方向互相相反（这点可以由调节中间‘鉻’层的厚度得到），这时候观察到的总电阻为最大。如果加上外磁场H，所有铁磁材料的磁化方向都变成与外磁场方向一致，这时候的总电阻最小。电阻变化的比值可达50%，是通常磁电阻效应的几十倍。

在元素周期表的100多种基本元素中，铁、钴、镍被称为铁磁性元素，因为它们能在外部磁場的作用下得以磁化，并能形成永久磁铁。这个性质可以从它们的原子结构，根据量子力学中的自旋及泡利不相容原理成功地解释。

图15.2：对巨磁电阻效应的发现和应用作出贡献的人

对于外磁场的变化，铁磁性元素较其它元素更为敏感，它的磁电阻效应也比其它金属更大，计算机硬盘早就利用铁磁性元素的这些性质来储存数据。法国和德国的物理学家在‘铁鉻铁’结构中发现了巨磁电阻效应之后，IBM的研究员斯图尔特·帕金（Stuart Parkin）1989年在其它材料上也发现了同样的效应。并且，帕金接着又研究自旋阀，造出自旋阀磁盘读头。1994年，帕金研制的新型读出磁头，将磁盘记录密度一下子提高了17倍，并且很快地成为行业技术标准，为IBM带来巨大的商业利益，当然也造福于人类文明。今天，几乎所有最新的磁头读出技术都是基于巨磁电阻原理而研制出来的。

2007年的诺贝尔物理奖颁发给了巨磁电阻效应的发现人阿尔贝·费尔和彼得·格林贝格。说到这儿，不得不为此次诺贝尔物理奖遗漏了IBM的帕金而感到遗憾，其实帕金对巨磁电阻原理的研究和应用，以及物理材料应用的其它领域，贡献之大是有目共睹的。不过，帕金得到了2006年的沃尔夫物理奖。

为什么会有巨磁电阻效应？它的物理原理是怎么样的？留待下一节中讲解。

参考资料：

【1】Fert, Albert; et al. (November 1988)."Giant Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic Superlattices".Physical Review Letters 61 (21): 2472–2475.

【2】G. Binasch, P. Grünberg, F. Saurenbach, and W. Zinn. “Enhancedmagnetoresistance in layered magnetic structures with antiferromagneticinterlayer exchange”, Phys. Rev. B 39, 4828(1989).

【3】（There‘s Plenty ofRoom at the Bottom）http://www.pa.msu.edu/~yang/RFeynman_plentySpace.pdf

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