磁化法減小強(qiáng)磁性材料電阻效應(yīng)

王尚坤 李永林

（鄭州大學(xué)，河南 鄭州 450001）

磁化法之所以能減小強(qiáng)磁性材料的電阻， 與安培分子電流假說和磁電阻效應(yīng)密切相關(guān)。

在分子的內(nèi)部，存在著一種環(huán)形電流，這種環(huán)形電流實(shí)際上原子中是圍繞原子核旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電子形成的，安培將這種電流稱為分子電流。 這種分子電流使每個(gè)微粒成為一個(gè)個(gè)微小的磁體，而分子的兩側(cè)則相當(dāng)于兩個(gè)磁極。 通常情況下，磁體分子的分子電流取向是雜亂無章的， 它們產(chǎn)生的磁場(chǎng)互相抵消，對(duì)外不顯磁性。 當(dāng)外界磁場(chǎng)作用后，分子電流的取向大致相同，分子間相鄰的電流作用抵消，而表面部分未抵消，它們的效果顯示出宏觀磁性。 這就是安培分子電流假說。

根據(jù)導(dǎo)電微觀原理:在導(dǎo)體導(dǎo)電時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)的電子即載流子并不是沿電場(chǎng)方向直線前進(jìn)，而是不斷和晶格中的原子以及不發(fā)生定向運(yùn)動(dòng)的電子產(chǎn)生碰撞，又稱散射，每次散射后電子都會(huì)改變其運(yùn)動(dòng)方向 （宏觀表現(xiàn)為消耗電能產(chǎn)生熱能，電阻溫度升高），總的運(yùn)動(dòng)是電場(chǎng)對(duì)電子的定向加速與這種無規(guī)散射運(yùn)動(dòng)的疊加。 我們稱電子在兩次散射之間走過的平均路程為平均自由程，電子的散射幾率小，平均自由程長(zhǎng)，電阻率低。

強(qiáng)磁性材料在受到外加磁場(chǎng)作用時(shí)引起的電阻變化，稱為磁電阻效應(yīng)。 不論磁場(chǎng)與電流方向平行還是垂直，都將產(chǎn)生磁電阻效應(yīng)。 當(dāng)磁場(chǎng)方向與電流方向平行稱為縱磁場(chǎng)效應(yīng)，當(dāng)磁場(chǎng)方向與電流方向垂直稱為橫磁場(chǎng)效應(yīng)。 一般強(qiáng)磁性材料的磁電阻率即磁場(chǎng)引起的電阻變化與未加磁場(chǎng)時(shí)電阻之比在室溫下小于8%，在低溫下可增加到10%以上。已實(shí)用的磁電阻材料主要有鎳鐵系和鎳鈷系磁性合金。

強(qiáng)磁性材料的電阻率在外加磁場(chǎng)時(shí)為什么會(huì)發(fā)生變化呢？

由安培分子電流假說我們知道， 強(qiáng)磁性材料中的磁體分子在無外加磁場(chǎng)時(shí)，其分子電流取向是雜亂無章的，當(dāng)存在外加磁場(chǎng)時(shí)，分子電流取向大致相同。 結(jié)合導(dǎo)電微觀原理我們不難發(fā)現(xiàn)，這種分子電流實(shí)際上是由在外加電場(chǎng)時(shí)晶格中不發(fā)生定向運(yùn)動(dòng)的電子圍繞晶格中的原子核旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形成的。

當(dāng)給強(qiáng)磁性材料通電并無外加磁場(chǎng)時(shí)， 此時(shí)磁性材料內(nèi)部的分子電流取向雜亂無章，于是通電磁性材料中的運(yùn)動(dòng)的電子即載流子將不斷與晶格中的原子核以及圍繞原子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電子產(chǎn)生碰撞并改變運(yùn)動(dòng)方向，電子散射幾率大，平均自由程短，電阻率高；當(dāng)給強(qiáng)磁性材料通電并存在有外加磁場(chǎng)時(shí)，此時(shí)磁性材料內(nèi)部的分子電流取向大致相同，于是通電磁性材料中的運(yùn)動(dòng)的電子（載流子）與晶格中的原子核以及圍繞原子核旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電子產(chǎn)生碰撞的幾率大大減小， 電子散射幾率小，平均自由程長(zhǎng)，電阻率低。 這就好比一個(gè)人穿過排列整齊的軍隊(duì)要比穿過混亂的集市要容易得多！ 于是，強(qiáng)磁性材料在外加磁場(chǎng)時(shí)其電阻率較無外加磁場(chǎng)時(shí)電阻率發(fā)生變化，這就是磁電阻效應(yīng)，具體的關(guān)系是無外加磁場(chǎng)時(shí)，磁電阻呈高阻態(tài)，外加磁場(chǎng)時(shí)呈低阻態(tài)。 筆者就磁化法減小強(qiáng)磁性材料電阻效應(yīng)進(jìn)行了一次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與論文符合得很好。

巨磁阻效應(yīng)是磁電阻效應(yīng)的延伸以及投入到實(shí)際生產(chǎn)生活上應(yīng)用的切入點(diǎn)。

所謂巨磁電阻（GMR）效應(yīng)是指磁性材料的電阻率在有外磁場(chǎng)作用時(shí)較之無外磁場(chǎng)作用時(shí)存在顯著變化的現(xiàn)象。 巨磁阻效應(yīng)就涉及到量子力學(xué)的范疇， 巨磁阻效應(yīng)一種量子力學(xué)效應(yīng)，產(chǎn)生于層狀的磁性薄膜結(jié)構(gòu)。 這種結(jié)構(gòu)是由鐵磁材料薄膜層和非鐵磁材料薄膜層交替疊合而成。 當(dāng)鐵磁膜層的磁矩相互平行時(shí)，載流子與自旋電子之間的散射最小，材料有最小的電阻率。 當(dāng)鐵磁層的磁矩為反平行時(shí)散射最強(qiáng)，材料的電阻率最大。 實(shí)際上，法國(guó)科學(xué)家阿爾貝·費(fèi)爾和德國(guó)科學(xué)家彼得·格林貝格爾因分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)而共同獲得2007 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

磁電阻效應(yīng)已應(yīng)用于實(shí)際的生產(chǎn)生活中， 利用磁電阻效應(yīng)可以制成換能器和傳感器，磁電阻材料還可用于制造磁記錄磁頭、磁泡檢測(cè)器和磁膜存儲(chǔ)器的讀出器等。

巨磁電阻應(yīng)用于計(jì)算機(jī)硬盤領(lǐng)域取得的效果也比較理想，計(jì)算機(jī)硬盤的常用材料是磁性材料，磁頭在寫數(shù)據(jù)的時(shí)候改變硬盤表面磁性材料單元的極性以記錄0 和1， 在讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候，需要探頭能夠識(shí)別表面單元的極性，這時(shí)就可以用由巨磁電阻原理制作的探頭，如果兩個(gè)單元表面極性相同，那么探頭表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)變化不大， 于是探頭的電阻變化也不大；如果兩個(gè)單元表面極性相反，那么探頭表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度似乎應(yīng)當(dāng)經(jīng)歷一個(gè)從大到小再到大的過程，于是探頭的電阻值會(huì)出現(xiàn)一個(gè)尖峰。 只需要判斷有沒有這個(gè)尖峰出現(xiàn)就可以知道相鄰兩個(gè)單元的極性是否不同，再由某個(gè)已知極性的單元就可以推斷當(dāng)前單元的極性。 電阻隨磁場(chǎng)的變化越劇烈，探頭的分辨率必然越好，于是用巨磁電阻原理制作的探頭更有優(yōu)勢(shì)。 最終會(huì)使單位面積的硬盤容量越來越大，制作的電腦也能夠更小更輕，服務(wù)于我們的日常生活中。