1、“巨磁電阻”效應“巨磁電阻”效應什么是磁性？物質在非均勻磁場中受到作用。磁性是物質的基本屬性之一。磁性的應用，特別在近一百多年中，已經深入到人類生活、生產等各個方面。在科學研究中，磁性不僅作為內容，也作為手段。自旋電子學是二十一世紀初最為科技界關注和最有前途的研究方向之一。磁性物理課主要介紹凝聚態物質各種磁性的形成機理及宏觀表現，磁有序的各種理論，外磁場作用下磁性物質內部的相互作用過程以及磁性應用的相關問題。該課程為本科生應用物理專業固體物理課之后的選修專業課，授課52學時，計3個學分。磁性物理學磁性物理學課程簡介課程簡介 “巨磁電阻”效應幾乎遍及人類生產、幾乎遍及人類生產、生活的各個領域。生

2、活的各個領域。磁性的應用磁性的應用“巨磁電阻”效應揚聲器；小型電機；磁帶；磁頭；磁密封圈；天線；偏轉磁芯等。見章綜書見章綜書P154磁性在家用電器中的應用磁性在家用電器中的應用“巨磁電阻”效應現代汽車需要使用幾十現代汽車需要使用幾十個小型永磁電動機和其個小型永磁電動機和其它磁控機械元件。它磁控機械元件。The number of magnets in the family car has increased from one in the 1950s to over thirty today. “巨磁電阻”效應宇航員頭盔的密封是納米磁性材料的宇航員頭盔的密封是納米磁性材料的最早重要應用之一最早

3、重要應用之一-磁性液體磁性液體“巨磁電阻”效應 磁冰箱很可能在某一天取代您廚房中的傳統電冰箱磁冰箱很可能在某一天取代您廚房中的傳統電冰箱 June 23, 2004June 23, 2004“巨磁電阻”效應 沒有磁的應用，現代文明是不可想像的沒有磁的應用，現代文明是不可想像的。 了解物質磁性，已經成為我們從事現代生產，了解物質磁性，已經成為我們從事現代生產，熟悉現代生活的必要準備，更是我們可以選擇的熟悉現代生活的必要準備，更是我們可以選擇的研究方向。研究方向。 Modern Magnetic Materials: Principles and Applications OHandley 200

4、0年在他的書中寫道：美國來自硅谷的磁性元件產值，已經大于在那里制造的半導體元件產值，這是磁性元件在信息工業中地位迅速提高的最好說明。“巨磁電阻”效應Global market for magnetic materials the total in 1999 was about 30b$.全球市場：全球市場：300億美元億美元“巨磁電阻”效應20世紀世紀8090年代是磁年代是磁性材料發展史上輝煌的性材料發展史上輝煌的一頁：一頁：(3d-4f)稀土磁性稀土磁性材料；非晶，納米晶磁材料；非晶，納米晶磁性材料；磁電子材料等性材料；磁電子材料等橫空出世，開創了磁性橫空出世，開創了磁性材料新紀元。材料新紀

5、元。1984年 NdFeB稀土永磁材料的發現 Sagawa(佐川) 1984年德國的教授等合成了納米晶體Pd, Fe等。1988年由非晶態FeSiB退火通過摻雜Cu和Nb控制晶粒成為新型的納米晶軟磁材料 1986年 Grunberg 發現Fe/Cr/Fe 三明治結構中Cr適當厚度產生反鐵磁耦合。 1988年 Baibich、Fert等發現(Fe/Cr)多層膜的巨磁電阻效應。 1994年 Jin等在LaCaMnO3中發現了龐磁電阻（CMR）效應。 1995年 發現隧道磁電阻（TMR）效應1993年 理論表明納米級的軟磁和硬磁顆粒復合將綜合軟磁 Ms 高，硬磁 Hc 高的優點獲得磁能級比現有最好N

6、dFeB高一倍的新型納米硬磁材料。20 世紀世紀8090年代磁學的重大發展年代磁學的重大發展“巨磁電阻”效應 納米軟磁以最小的損耗實現高磁通量的轉換，大大節約了能源。 NdFeB永磁材料比傳統的AlNiCo永磁材料存儲能量提高20倍以上，使用該材料制成的器件重量只有用傳統材料同樣功率器件的二十分之一。 磁記錄密度的提高，磁頭靈敏度的提高，大大減小了磁硬盤的體積，直接推動了計算機體積的減小，計算速度的提高以及容量的加大。磁性材料的進步對社會生產的巨大推動磁性材料的進步對社會生產的巨大推動“巨磁電阻”效應第一，二代稀土永磁 (19671975)第三代稀土永磁 (1984)第一代SmCo5 (60年

7、代）；第二代Sm2Co17 (70年代）；第三代 Nd2Fe14B(80年代）；第四代稀土永磁？第四代稀土永磁？“巨磁電阻”效應“巨磁電阻”效應 IBM91年研發，94年推出AMR讀出頭。在1998年推出采用自旋閥結構的GMR讀出頭，輕易突破10 Gbits/in2。 日立宣布將采用CPP-GMR技術在2010年實現1 Tbits/in2。硬盤讀出頭的發展硬盤讀出頭的發展“巨磁電阻”效應 電子時代的瓶頸 尺度限制：原子極限？量子漲落：測不準原理。 解決途徑：利用電子的自旋屬性 自旋電子學，其目標是利用電子的自旋屬性，而不僅是電荷屬性，帶來電子技術領域的革命。 先決條件 自旋極化： 自旋相關散射

8、： 自旋馳豫：達到微米級。作為對比，動量馳豫是納米級。CoNi80Fe20Fe(nm)5.54.61.5(nm)0.60.62.10NNNNP自旋電子學時代自旋電子學時代“巨磁電阻”效應“巨磁電阻”效應19751980198519901995200020050246810%年 份 B（19752005）年“Magnetic materials”SCI論文百分數據Web of Science檢索（19752005）年間，共發表”Magnetic materials”論文3874篇，分布如圖，“Magnetism” 論文12813篇。370篇“巨磁電阻”效應各種磁效應示意圖各種磁效應示意圖“巨磁電

9、阻”效應（李書p6)磁性關聯的眾多邊緣學科磁性關聯的眾多邊緣學科“巨磁電阻”效應1 磁學基礎知識 （6學時）2 抗磁性和順磁性 （68學時） 3 自發磁化理論 （1216學時）4 磁疇結構 （68學時）5 技術磁化理論 （812學時）6 磁學專題 （8學時）磁性物理教學計劃磁性物理教學計劃“巨磁電阻”效應1 姜壽亭 李 衛 編著 凝聚態磁性物理凝聚態磁性物理 科學出版社 20032 奧漢德利 著 現代磁性材料原理和應用現代磁性材料原理和應用 英文版2000；化學工業出版社 20023 戴道生等編著 鐵磁學鐵磁學（上，中，下）科學出版社 19874 宛德福 馬興隆 編著 磁性物理學磁性物理學 電

10、子工業出版社 19995 李國棟 編著 當代磁學當代磁學 中國科學技術大學出版社 19996 章 綜、李國棟 編著 我們生活在磁的世界里我們生活在磁的世界里 清華大學出版社 2000主要參考書主要參考書“巨磁電阻”效應 在講授具體知識的同時，更加注意介紹磁性物理的研究方法，特別是成功先驅者的思路。 和基礎課相比，很多理論尚不夠成熟，要以批判的態度接受，特別要注意每種理論的基本假定、適用范圍和與實驗結果的比較情況，發現存在問題，培育創新意識。 凝聚態磁性物理是我們主要參考教材 ，課件依據課程要求和聽課同學的基礎，做了內容上的選擇和調整，但只是提綱，聽課并閱讀教材相關章節才能深入學好本課程。 獨立

11、完成課堂作業，寫好讀書報告是加深理解的重要步驟。平時考察會在學習成績評定上占有重要地位。 教學特點教學特點“巨磁電阻”效應所謂所謂“巨磁電阻巨磁電阻”效應，是指磁性材料的電阻率在效應，是指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時較之無外磁場作用時存在巨大變化有外磁場作用時較之無外磁場作用時存在巨大變化的現象。根據這一效應開發的小型大容量計算機硬的現象。根據這一效應開發的小型大容量計算機硬盤已得到廣泛應用。盤已得到廣泛應用。 新聞新聞： 瑞典皇家科學院諾貝爾獎委員會今天宣布，將瑞典皇家科學院諾貝爾獎委員會今天宣布，將2007年度諾貝爾物理獎授予法國科學家艾爾伯年度諾貝爾物理獎授予法國科學家艾爾伯-費費爾

12、和德國科學家皮特爾和德國科學家皮特-克魯伯格，以表彰他們發現克魯伯格，以表彰他們發現巨磁電阻效應的貢獻。（）巨磁電阻效應的貢獻。（） 這是對巨磁電阻發現及其近這是對巨磁電阻發現及其近20年來得到了廣泛年來得到了廣泛應用的充分肯定。應用的充分肯定。“巨磁電阻”效應 瑞典斯德科爾摩皇家科學院發布的頒獎聲明稱，艾爾伯-費爾和皮特-克魯伯格1988年各自獨立發現了一種全新的物理年各自獨立發現了一種全新的物理效應效應-巨磁電阻效應，即一個微弱的磁場變化可以在巨磁電阻巨磁電阻效應，即一個微弱的磁場變化可以在巨磁電阻系統中產生很大的電阻變化。系統中產生很大的電阻變化。該系統非常有助于從硬盤中讀取數據，因為機

13、器在讀取數據時必須把用磁記錄的信息轉換成電流。隨著這項發現公布，一些研究者和工程師開始在制作讀取頭中加以應用，1997年首個應用巨磁電阻效應的讀取頭研制年首個應用巨磁電阻效應的讀取頭研制成功，很快成為標準技術，即便今天最新的讀取技術也均由成功，很快成為標準技術，即便今天最新的讀取技術也均由巨磁電阻效應發展而來。巨磁電阻效應發展而來。 眾所周知，硬盤能夠存儲包括音樂在內的信息，這些信息被存在微小的磁化區，信息則通過記錄磁場變化的讀取器取出。硬盤越小，各個磁化區的面積也越小，磁化的程度也越弱。因此如果欲在一張硬盤中存儲更多信息，就需要更為靈敏的讀取器。基于巨磁電阻效應原理制成的讀取器，可以將細小的

14、磁基于巨磁電阻效應原理制成的讀取器，可以將細小的磁場變化轉換成不同的電阻，使讀取器產生不同的電流，而電場變化轉換成不同的電阻，使讀取器產生不同的電流，而電流是讀取器的信號。流是讀取器的信號。“巨磁電阻”效應 M.Baibich ,J.Broto, A.Fert .等9人: Phys.Rev.Letter 61,2472(1988)Grunberg Phys.Rev.Letter 57,2442(1986)“巨磁電阻”效應艾爾伯艾爾伯-費爾費爾1938年年3月月7日出生于法國的卡爾卡松，已婚日出生于法國的卡爾卡松，已婚并有兩個孩子。并有兩個孩子。1962年，費爾在巴黎高等師范學院獲數學和年，費爾

15、在巴黎高等師范學院獲數學和物理碩士學位。物理碩士學位。1970年，費爾從巴黎第十一大學獲物理學博年，費爾從巴黎第十一大學獲物理學博士學位。士學位。2004年當選法國科學院院士。年當選法國科學院院士。 艾爾伯艾爾伯-費爾目前為巴黎第十一大學物理學教授。費爾從費爾目前為巴黎第十一大學物理學教授。費爾從1970年到年到1995年一直在巴黎第十一大學固體物理實驗室工作。年一直在巴黎第十一大學固體物理實驗室工作。后任研究小組組長。后任研究小組組長。1995年至今則擔任國家科學研究中心年至今則擔任國家科學研究中心-Thales 集團聯合物理小組科學主管。集團聯合物理小組科學主管。1988年，費爾發現巨磁年

16、，費爾發現巨磁電阻效應，同時他對自旋電子學作出過許多貢獻。電阻效應，同時他對自旋電子學作出過許多貢獻。費爾在獲得諾貝爾獎之前已經取得多種獎項，包括費爾在獲得諾貝爾獎之前已經取得多種獎項，包括1994年獲美國物理學會頒發的新材料國際獎，年獲美國物理學會頒發的新材料國際獎，1997年獲歐洲物理年獲歐洲物理協會頒發的歐洲物理學大獎，以及協會頒發的歐洲物理學大獎，以及2003年獲法國國家科學研年獲法國國家科學研究中心金獎。究中心金獎。(關新關新)“巨磁電阻”效應德國科學家皮特德國科學家皮特-克魯伯格克魯伯格1939年年5月月18日出生。從日出生。從1959年年到到1963年，克魯伯格在法蘭克福約翰年，

17、克魯伯格在法蘭克福約翰-沃爾夫岡沃爾夫岡-歌德大學學習歌德大學學習物理，物理，1962年獲得中級文憑，年獲得中級文憑，1969年在達姆施塔特技術大學獲年在達姆施塔特技術大學獲得博士學位。得博士學位。1988年，克魯伯格在尤利西研究中心研究并發現巨磁電阻年，克魯伯格在尤利西研究中心研究并發現巨磁電阻效應；效應；1992年被任命為科隆大學兼任教授；年被任命為科隆大學兼任教授；2004年在研究中心年在研究中心工作工作32年后退休，但仍在繼續工作。年后退休，但仍在繼續工作。克魯伯格在學術方面獲獎頗豐，包括克魯伯格在學術方面獲獎頗豐，包括1994年獲美國物理學年獲美國物理學會頒發的新材料國際獎會頒發的新

18、材料國際獎(與艾爾伯與艾爾伯-費爾、帕克林共同獲得費爾、帕克林共同獲得)；1998年獲由德國總統頒發的德國未來獎；年獲由德國總統頒發的德國未來獎；2007年獲沃爾夫基金年獲沃爾夫基金獎物理獎獎物理獎(與艾爾伯與艾爾伯-費爾共同獲得費爾共同獲得)。(關新關新)“巨磁電阻”效應科普：小硬盤中的大發現科普：小硬盤中的大發現“巨磁電阻巨磁電阻”效應效應 新華網北京10月9日電(記者潘治)體積越來越小，容量越來越大在如今這個信息時代，存儲信息的硬盤自然而然被人們寄予了這樣的期待。得益于得益于“巨磁電阻巨磁電阻”效應這一重大發現效應這一重大發現，最近20多年來，我們開始能夠在筆記本電腦、音樂播放器等所安裝

19、的越來越小的硬盤中存儲海量信息。 瑞典皇家科學院說：“今年的物理學獎授予用于讀取硬盤數今年的物理學獎授予用于讀取硬盤數據的技術，得益于這項技術，硬盤在近年來迅速變得越來越據的技術，得益于這項技術，硬盤在近年來迅速變得越來越小。小。” 通常說的硬盤也被稱為磁盤，這是因為在硬盤中是利用磁介質來存儲信息的。一般而言，在密封的硬盤內腔中有若干個磁盤片，磁盤片的每一面都被以轉軸為軸心、以一定的磁密度為間隔劃分成多個磁道，每個磁道又進而被劃分為若干個扇區。磁盤片的每個磁盤面都相應有一個數據讀出頭。 簡單地說，當數據讀出頭“掃描”過磁盤面的各個區域時，各個區域中記錄的不同磁信號就被轉換成電信號，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”。“巨磁電阻”效應伴隨著信息數字化的大潮，人們開始尋求不斷縮小硬盤體積同時提高硬盤容量的技術。1988年，費爾和格林貝格爾各自獨立發現了“巨磁電阻”效應，也就是說，非常弱小的磁性變化就能導致巨大電阻變化的特殊效應。 這一發現解決了制造大容量小硬盤最棘手的問題：當