巨磁阻(Giant Magnetoresistance)简介

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(Giant Magnetoresistance)简介

巨磁阻效应是二十世纪末最伟大的发明之一,其发明开启了自旋电子学(spintronics)领域的蓬勃发展,使得今日的科技大大向前跃进。

巨磁阻现象的发现是在1988年由德国尤利西研究中心的彼得‧葛伦伯格(Peter Grunberg)和巴黎第十一大学的艾尔伯‧费尔(Albert Fert)分别独立发现,两人共同获得2007年诺贝尔物理学奖;而另外一位对巨磁阻有重大贡献的科学家则是IBM实验室的史都华‧帕金(Stuart S. P. Parkin),他将巨磁阻应用到常温,并且做了很多新材料的开发及改良,使得巨磁阻的技术加速发展,并与工业界成熟的製程技术相接轨。

巨磁阻(Giant Magnetoresistance)简介

在深入探讨巨磁阻现象之前让我们先简单的介绍一些基本的名词,首先「自旋」(spin)是一种具有方向的物理特性,其中电子的自旋分为「自旋向上」(spin up)及「自旋向下」(spin down)(上、下的相对方位通常和我们所外加的磁场有关)。

磁偶极矩也是一种具有方向的物理特性,其来源分为两者,分别为电子自旋及电子绕着原子核在轨道上运行;当物质的磁偶极矩相互加成后仍有静磁矩存在,并且形成原子磁矩顺向排列的磁区时,则称之为「铁磁性物质」。

而所谓磁阻是指电阻受到外加磁场后所产生的变化,举例来说,若为负磁阻则表示电阻值随着磁场的增加而减少,反之正磁阻则表示电阻值随外加磁场增加而增加。

巨磁阻现象

巨磁阻现象是把铁磁性物质和一般金属製作成複合式多层膜的结构,各膜层厚度在奈米尺寸,此时称之为超晶格,将此多层膜放置到磁场中时,若磁场强度增加时,则磁阻会明显下降。

彼得‧葛伦伯格的研究小组在最初的研究中只研究了由铁、铬、铁三层材料所组成的结构物质,由他们的实验结果显示出电阻下降了1.5%;而艾尔伯‧费尔的研究小组则是研究了由铁和铬组成的多层材料,图一是由艾尔伯‧费尔的研究小组的实验结果,横轴表示外加的磁场(即为磁化的强度),纵轴则为磁化时的电阻和无磁化的电阻(外加磁场为0时)之比值,由实验显示铁和铬之比例不同则可使电阻下降的程度不同,发现最多可使得电阻下降50%。
巨磁阻(Giant Magnetoresistance)简介

应用及发展

巨磁阻效应有许多强大的应用,特别是在硬碟的读取头上,巨磁阻效应让记忆体空间变小,使得电脑体积能够越来越小,而电脑能够储存的资讯便越来越多;而不仅仅是电脑,就连MP3、PDA、i-Pod等产品,都可以有此效益,不但体积轻薄短小而可以拥有超高资料的储存容量;而预计在2012年,硬碟储存密度推展到3.5英吋的硬碟上可达到300 Tbits (1T = 1012 = 1000G )的超大容量,由此可知,到时候许多消费性电子产业势必将更为蓬勃发展。

参考资料:
1.张庆瑞、苏又新(2008),「巨磁阻物理之历史与展望—从2007 年物理诺贝尔奖谈起」,物理双月刊三十卷二期,第110~115页
2.江文中、李尚凡(2008),「2007 诺贝尔物理奖—轻鬆看巨磁阻」,物理双月刊三十卷二期,第116~121页
3.维基百科–巨磁阻效应  http://zh.wikipedia.org/zh-tw/巨磁阻
4.Alert Fert(2008),「The present and the future of spintronics」,Thin Solid Films 517 2-5

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