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巨磁阻效應
量子力學和凝聚態(tài)物理學現(xiàn)象
效應概念
巨磁阻效應（Giant Magnetoresistance）是一種量子力學和凝聚態(tài)物理學現(xiàn)象，磁阻效應的一種，可以在磁性材料和非磁性材料相間的薄膜層（幾個納米厚）結(jié)構(gòu)中觀察到。這種結(jié)構(gòu)物質(zhì)的電阻值與鐵磁性材料薄膜層的磁化方向有關，兩層磁性材料磁化方向相反情況下的電阻值，明顯大于磁化方向相同時的電阻值，電阻在很弱的外加磁場下具有很大的變化量。巨磁阻效應被成功地運用在硬盤生產(chǎn)上，具有重要的商業(yè)應用價值。
效應發(fā)現(xiàn)
早在1988年，費爾和格林貝格爾就各自獨立發(fā)現(xiàn)了這一特殊現(xiàn)象：非常弱小的磁性變化就能導致磁性材料發(fā)生非常顯著的電阻變化。那時，法國的費爾在鐵、鉻相間的多層膜電阻中發(fā)現(xiàn)，微弱的磁場變化可以導致電阻大小的急劇變化，其變化的幅度比通常高十幾倍，他把這種效應命名為巨磁阻效應（Giant Magneto-Resistive，GMR）。有趣的是，就在此前3個月，德國優(yōu)利希研究中心格林貝格爾教授領導的研究小組在具有層間反平行磁化的鐵/鉻/鐵三層膜結(jié)構(gòu)中也發(fā)現(xiàn)了完全同樣的現(xiàn)象。
基本知識
眾所周知，計算機硬盤是通過磁介質(zhì)來存儲信息的。一塊密封的計算機硬盤內(nèi)部包含若干個磁盤片，磁盤片的每一面都被以轉(zhuǎn)軸為軸心、以一定的磁密度為間隔劃分成多個磁道，每個磁道又被劃分為若干個扇區(qū)。
磁盤片上的磁涂層是由數(shù)量眾多的、體積極為細小的磁顆粒組成，若干個磁顆粒組成一個記錄單元來記錄1比特（bit）信息，即0或1。磁盤片的每個磁盤面都相應有一個磁頭。當磁頭“掃描”過磁盤面的各個區(qū)域時，各個區(qū)域中記錄的不同磁信號就被轉(zhuǎn)換成電信號，電信號的變化進而被表達為“0”和“1”，成為所有信息的原始譯碼。
GMR器件
巨磁阻效應
應用
巨磁阻效應自從被發(fā)現(xiàn)以來就被用于開發(fā)研制用于硬磁盤的體積小而靈敏的數(shù)據(jù)讀出頭（Read Head）。這使得存儲單字節(jié)數(shù)據(jù)所需的磁性材料尺寸大為減少，從而使得磁盤的存儲能力得到大幅度的提高。第一個商業(yè)化生產(chǎn)的數(shù)據(jù)讀取探頭是由IBM公司于1997年投放市場的，到目前為止，巨磁阻技術(shù)已經(jīng)成為全世界幾乎所有電腦、數(shù)碼相機、MP3播放器的標準技術(shù)。
在Grünberg最初的工作中他和他領導的小組只是研究了由鐵、鉻（Chromium）、鐵三層材料組成的樣品，實驗結(jié)果顯示電阻下降了
。而Fert及其同事則研究了由鐵和鉻組成的多層材料樣品，使得電阻下降了
。
諾貝爾獎
2007年10月，科學界的最高盛典—瑞典皇家科學院頒發(fā)的諾貝爾獎揭曉了。本年度，法國科學家阿爾貝·費爾和德國科學家彼得·格林貝格爾因分別獨立發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應而共同獲得2007年諾貝爾物理學獎。瑞典皇家科學院在評價這項成就時表示，諾貝爾物理學獎主要獎勵“用于讀取硬盤數(shù)據(jù)的技術(shù)，得益于這項技術(shù)，硬盤在近年來迅速變得越來越小”。
諾貝爾評委會主席佩爾·卡爾松用比較通俗的語言解答了這個問題。他用兩張圖片的對比說明了巨磁阻的重大意義：一臺1954年體積占滿整間屋子的電腦，和一個如今非常普通、手掌般大小的硬盤。正因為有了這兩位科學家的發(fā)現(xiàn)，單位面積介質(zhì)存儲的信息量才得以大幅度提升。根據(jù)該效應開發(fā)的小型大容量硬盤已得到了廣泛的應用。
正如一位中國科研人員所言：“看看你的計算機硬盤存儲能力有多大，就知道他們的貢獻有多大了?！被蛟S我們這才明白，司空見慣的筆記本電腦、MP3、U盤等消費品，居然都閃爍著耀眼的科學光芒。諾貝爾獎并不總是代表著深奧的理論和艱澀的知識，它往往就在我們身邊，在我們不曾留意的日常生活中。
新一代硬盤
采用自旋閥研制的新一代硬盤讀出磁頭，已經(jīng)把存儲密度提高到560億位/平方英寸，該類型磁頭已占領磁頭市場的
隨著低電阻高信號的TMR的獲得，存儲密度達到了1000億位/平方英寸。
2007年9月13日，全球最大的硬盤廠商希捷科技（Seagate Technology）在北京宣布，其旗下被全球最多數(shù)字視頻錄像機（DVR）及家庭媒體中心采用的第四代DB35系列硬盤，現(xiàn)已達到1TB（1024GB）容量，足以收錄多達200小時的高清電視內(nèi)容。正是依靠巨磁阻材料，才使得存儲密度在最近幾年內(nèi)每年的增長速度達到3～4倍。由于磁頭是由多層不同材料薄膜構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，因而只要在巨磁阻效應依然起作用的尺度范圍內(nèi)，未來將能夠進一步縮小硬盤體積，提高硬盤容量。
除讀出磁頭外，巨磁阻效應同樣可應用于測量位移、角度等傳感器中，可廣泛地應用于數(shù)控機床、汽車導航、非接觸開關和旋轉(zhuǎn)編碼器中，與光電等傳感器相比，具有功耗小、可靠性高、體積小、能工作于惡劣的工作條件等優(yōu)點。我國國內(nèi)也已具備了巨磁阻基礎研究和器件研制的良好基礎。中國科學院物理研究所及北京大學等高校在巨磁阻多層膜、巨磁阻顆粒膜及巨磁阻氧化物方面都有深入的研究。中國科學院計算技術(shù)研究所在磁膜隨機存儲器、薄膜磁頭、MIG磁頭的研制方面成果顯著。北京科技大學在原子和納米尺度上對低維材料的微結(jié)構(gòu)表征的研究及對大磁矩膜的研究均有較高水平。
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