实验十七
巨磁电阻效应及其应用
2007年诺贝尔物理学奖授予了巨磁电阻（Rianr magneto resistance,简称GMR）效应的发现者，法国Paris-Sud大学的物理学家阿贝尔·费尔（Albert Fert）和德国尤里希研究中心物理学家彼得·格伦贝格尔（Peter Grunberg）。他们于1988年独立作出的发现巨磁阻效应 。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。”
凝聚态物理研究原子，分子在构成物质时的微观结构，他们之间的互相作用力，及其与宏观物理性质之间的联系。
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，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。
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１７－1所示。
图１７－1 反铁磁有序
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。法国科学家奈尔(L. E. F. Neel)因为系统地研究反铁磁性而获1970年诺贝尔奖。在解释反铁磁性时认为，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。另外，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。1nm已经是实验室中人工微结构材料可以实现的尺度。1970年美国IBM实验室的江崎和朱兆祥提出了超晶格的概念，所谓的超晶格金属指由两种（或两种以上）组分（或导电类型）不同、厚度d极小的薄层材料交替生长在以前而得到的一种多周期结构材料。由于这种复合材料的周期长度比各薄膜单品的晶格常数大几倍或更长，因此取得“超晶格”的名称。上世纪八十年代，由于摆脱了以往难以制作高质量的纳米尺度样品的限制，金属超晶格成为研究前沿，凝聚态物理工作者对这类人工材料的磁有序，层间耦合，电子输送进行了广泛的基础方面的研究。
巨磁电阻效应及其应用实验报告
引言
巨磁电阻（GMR）效应是一种在特定材料中的电阻随着磁场强度的改变而发生改变的现象，这个现象在1988年被发现并且被认为是一种非常重要的物理现象。GMR效应的发现因其在信息存储和传输方面的应用而获得广泛的关注。本实验旨在通过对GMR效应的测量来研究其基本性质以及应用。
实验器材
本实验的器材包括：恒流源、磁场控制器、数显万用表、集成电路（IC）芯片、电阻板和薄膜，其中集成电路芯片是一种悬挂在磁性薄膜上的表面贴装器件，薄膜是一种金属薄膜，可以产生磁场。
实验步骤
1.将IC芯片放置在电阻板的中心位置。
2.将磁性薄膜放置在IC芯片顶部，注意不要碰到芯片。
3.将恒流源的电流调节到正确的数值，根据实验需求选择恒流源的最大或最小电流值。
4.打开磁场控制器，使用磁场控制器来控制磁场的强度，根据需要进行改变。
5.使用数显万用表来测量芯片中的电压。
6.根据实验的需要调整电阻板和薄膜之间的距离。
实验结果
实验结果表明，在施加不同大小的磁场时，IC芯片的电阻会发生变化，这种变化非常灵敏，能够实现高精度的控制。此外，IC芯片的电阻随着磁场的强度增加而减小，这表明芯片的电阻具有“负巨磁电阻”效应。
讨论与结论
巨磁电阻效应是一种非常重要的物理现象，它在信息存储和传输方面具有非常广泛的应用。本实验展示了GMR效应的基本特性，并探讨了其在实际应用中的潜在价值。我们可以通过调整材料的性质来提高其敏感度和精度，从而扩展其现有应用。
总之，GMR效应在信息技术领域是一个革命性的技术，它为我们提供了一种新的方式来控制和处理信息。通过进一步研究和优化，我们可以更好地利用这个效应，实现更高效的数据传输和处理。
【2017年整理】巨磁阻效应的原理及应用
巨磁阻效应（Giant Magnetoresistance, GMR）是一种物理现象，指在特定条件下，铁磁或亚铁磁材料中的磁电阻发生显著变化的现象。这种现象在工业和科研领域具有广泛的应用价值，因此了解其原理及在各领域的应用十分重要。
一、巨磁阻效应的原理
巨磁阻效应主要由以下几个因素决定：
1. 交换耦合：当两个磁性材料之间有耦合作用时，它们的磁矩会互相影响。在特定的条件下，这种耦合作用会使材料的磁电阻发生显著变化。
2. 层状结构：巨磁阻材料通常采用多层膜结构，其中每一层都可以作为电流通道。当电流垂直于膜面流动时，各层中的磁矩会相互作用，导致电阻发生变化。
3. 钉扎场：钉扎场是指材料内部由于杂质、缺陷或其他因素引起的局部磁场。当电流在材料中流动时，钉扎场会对电流产生散射作用，导致电阻增加。
二、巨磁阻效应的应用
巨磁阻效应在多个领域具有广泛的应用价值，以下是几个主要应用领域：
1. 硬盘读取头：巨磁阻材料制成的硬盘读取头是现代计算机和数据中心的核心组件之一。由于其具有高灵敏度和低噪音的特性，使得硬盘读取头的读取速度和准确性得到大幅提升。
2. 磁传感器：巨磁阻材料制成的磁传感器在医疗、工业和科研领域得到广泛应用。例如，在医疗领域中，磁传感器可用于检测人体内的金属物体和进行磁场导航；在工业领域中，磁传感器可用于检测电动机和发电机的转子位置；在科研领域中，磁传感器可用于研究物质的磁性和电磁场分布。 3. 磁场探测器：巨磁阻材料制成的磁场探测器可用于检测弱磁场和高精度测量磁场方向和大小。例如，在地球物理勘探、生物医学和核磁共振等领域，磁场探测器具有重要应用价值。
4. 磁记忆材料：巨磁阻材料制成的磁记忆材料具有高密度、高速度和高可靠性等优点，可用于数据存储和逻辑运算等领域。与传统的半导体存储器相比，磁记忆材料具有更高的存储密度和更长的使用寿命。
5. 磁场调控：巨磁阻效应还可以用于调控磁场分布和方向，从而在多个领域具有潜在的应用价值。例如，在电磁波谱测量、光调制和自旋电子学等领域，巨磁阻效应可以用于控制电磁波的传播方向、频率和幅度等方面。
与巨磁电阻效应有关的实例
巨磁电阻效应在现代科技领域中有着广泛的应用，它不仅在磁存储器、磁传感器等领域发挥着重要作用，还在生物医学、环境监测等方面展现出巨大的潜力。本文将以几个实例来介绍巨磁电阻效应的应用。
一、磁传感器
磁传感器是一种能够测量和检测磁场的设备，巨磁电阻效应在磁传感器中得到了广泛应用。例如，在汽车领域，磁传感器可以用于测量车辆的速度、方向和位置，以实现导航、自动驾驶等功能。而巨磁电阻效应的磁传感器具有灵敏度高、响应速度快、尺寸小等优点，因此被广泛应用于汽车行业。
二、磁存储器
磁存储器是计算机中常用的存储设备，而巨磁电阻效应的磁阻器件在磁存储器中发挥着重要作用。磁存储器通过改变磁阻器件的电阻来存储和读取数据。当外加磁场改变磁阻器件的磁化方向时，电阻值也会发生变化。利用这种巨磁电阻效应，可以实现高密度、高速度的数据存储和读取，提高计算机的性能。
三、生物医学应用
巨磁电阻效应在生物医学领域也有着广泛的应用。例如，在磁共振成像（MRI）中，可以利用巨磁电阻效应的磁传感器来感知人体内的微弱磁场变化，从而实现对人体组织和器官的成像。此外，巨磁电阻效应还可以用于生物传感器，用于检测生物分子、细胞等微小物质的浓度和活性，有助于疾病的早期诊断和治疗。
四、环境监测
巨磁电阻效应在环境监测中也发挥着重要作用。例如，利用巨磁电阻效应的磁传感器可以测量地震、气候变化等自然灾害的磁场变化，从而提供预警和监测信息。此外，巨磁电阻效应还可以用于测量和监测水质、空气质量等环境因素，有助于环境保护和资源管理。
巨磁电阻效应在磁传感器、磁存储器、生物医学和环境监测等领域都有着广泛的应用。它的出现和发展不仅改变了现代科技的面貌，也为人们的生活和工作带来了便利和创新。随着科技的进步和巨磁电阻效应的不断优化，相信它的应用领域还将不断扩展和深化，给人们的生活带来更多的惊喜和便利。
