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实验42 巨磁电阻效应及其应用

人们早就知道过渡金属铁、钴、镍能够出现铁磁性有序状态。量子力学出现后,德国科学家海
森伯(W. Heisenberg)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。后来发现很多的过渡金属和稀土金属的化合物具有反铁磁(或
亚铁磁)有序状态,化合物中的氧离子(或其他非金属离子)作为中介,将最近的磁性原子的磁矩耦合
起来,这是间接交换作用。—,间接交换作用可以长达1nm以上。
1nm已经是实验室中人工微结构材料可以实现的尺度,所以1970年之后,科学家就探索人工微结构
中的磁性交换作用。
1986年德国尤利希科研中心的物理学家彼得·格伦贝格尔( Peter Grunberg )采用分子束外延(MBE)
方法制备了铁-铬-铁三层单晶结构薄膜。,实
验中逐步减小薄膜上的外磁场,直到取消外磁场,发现膜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)。换言之,对于非铁磁层铬的某个特定厚度,没有外磁场时,两边铁
磁层磁矩是反平行的,这个新现象成为巨磁电阻( Giant o resistance,简称GMR)效应出现的前
提。格伦贝格尔接下来发现,两个磁矩反平行时对应高电阻状态,平行时对应低电阻状态,两个电
阻的差别高达10%。
1988年巴黎十一大学固体物理实验室物理学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)的小组将铁、铬薄膜交替
制成几十个周期的铁-铬超晶格,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%。他们把这个前所未有的电阻巨大变化现象称为巨磁电阻,并
用两电流模型解释这种物理现象。
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
晶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。
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量和控制领域。
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。诺贝尔奖委员会说明:“这是一次好奇心导致的发现,但其随后的应用却是革命
性的,因为它使计算机硬盘的容量从几百兆,几千兆,一跃而提高几百倍,达到几百G乃至上千G。”
本实验介绍多层膜 GMR效应的原理,并通过实验让学生了解GMR传感器的结构、特性及应用。
【实验目的】
1. 了解GMR效应的原理。
2. 测量GMR的磁阻特性曲线。
3. 了解 GMR 模拟传感器的结构、特点,采用 GMR 传感器测量电流。
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【实验仪器】
巨磁阻实验测试仪基本特性组件电流测量组件