，電子在導電時并不是沿電場直線前進，而是不斷和晶格中的原子產(chǎn)生碰撞(又稱散射)，每次散射后電子都會改變運動方向，總的運動是電場對電子的定向加速與這種無規(guī)散射運動的疊加。稱電子在兩次散射之間走過的平均路程為平均自由程，電子散射幾率小，則平均自由程長，電阻率低。電阻定律R=ρl/S中，把電阻率ρ視為常數(shù)，與材料的幾何尺度無關(guān)，這是忽略了邊界效應。當材料的幾何尺度小到納米量級，只有幾個原子的厚度時(例如，銅原子的直徑約為0.3nm)，電子在邊界上的散射幾率大大增加，可以明顯觀察到厚度減小，電阻率增加的現(xiàn)象。

　　電子除攜帶電荷外，還具有自旋特性，自旋磁矩有平行或反平行于外磁場兩種可能取向。早在1936年，就有理論指出，在過渡金屬中，自旋磁矩與材料的磁場方向平行的電子，所受散射幾率遠小于自旋磁矩與材料的磁場方向反平行的電子。總電流是兩類自旋電流之和;總電阻是兩類自旋電流的并聯(lián)電阻，這就是所謂的兩電流模型。

　　在多層膜巨磁電阻結(jié)構(gòu)中，無外磁場時，上下兩層磁性材料是反平行(反鐵磁)耦合的。施加足夠強的外磁場后，兩層鐵磁膜的方向都與外磁場方向一致，外磁場使兩層鐵磁膜從反平行耦合變成了平行耦合。電流的方向在多數(shù)應用中是平行于膜面的。

　　有兩類與自旋相關(guān)的散射對巨磁電阻效應有貢獻。

　　其一，界面上的散射。無外磁場時，上下兩層鐵磁膜的磁場方向相反，無論電子的初始自旋狀態(tài)如何，從一層鐵磁膜進入另一層鐵磁膜時都面臨狀態(tài)改變(平行-反平行，或反平行-平行)，電子在界面上的散射幾率很大，對應于高電阻狀態(tài)。有外磁場時，上下兩層鐵磁膜的磁場方向一致，電子在界面上的散射幾率很小，對應于低電阻狀態(tài)。

　　其二，鐵磁膜內(nèi)的散射。即使電流方向平行于膜面，由于無規(guī)散射，電子也有一定的幾率在上下兩層鐵磁膜之間穿行。無外磁場時，上下兩層鐵磁膜的磁場方向相反，無論電子的初始自旋狀態(tài)如何，在穿行過程中都會經(jīng)歷散射幾率小(平行)和散射幾率大(反平行)兩種過程，兩類自旋電流的并聯(lián)電阻相似兩個中等阻值的電阻的并聯(lián)，對應于高電阻狀態(tài)。有外磁場時，上下兩層鐵磁膜的磁場方向一致，自旋平行的電子散射幾率小，自旋反平行的電子散射幾率大，兩類自旋電流的并聯(lián)電阻相似一個小電阻與一個大電阻的并聯(lián)，對應于低電阻狀態(tài)。

　　巨磁電阻發(fā)現(xiàn)應用

　　發(fā)現(xiàn)

　　1988年法國巴黎大學的阿爾貝·費爾教授研究小組首先在Fe/Cr多層膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應，在國際上引起了很大的反響。20世紀90年代，人們在Fe/Cu，F(xiàn)e/Al，F(xiàn)e/Au，Co/Cu，Co/Ag和Co/Au 等納米結(jié)構(gòu)的多層膜中觀察到了顯著的巨磁阻效應，由于巨磁阻多層膜在高密度讀出磁頭、磁存儲元件上有廣泛的應用前景，美國、日本和西歐都對發(fā)展巨磁電阻材料及其在高技術(shù)上的應用投入很大的力量。

　　1994年，IBM公司研制成巨磁電阻效應的讀出磁頭，將磁盤記錄密度一下子提高了17倍，達5Gbit/in2，最近達到11Gbit/in2，從而在與光盤競爭中磁盤重新處于領(lǐng)先地位。由于巨磁電阻效應大，易使器件小型化，廉價化，除讀出磁頭外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，汽車測速，非接觸開關(guān)，旋轉(zhuǎn)編碼器中，與光電等傳感器相比，它具有功耗小，可靠性高，體積小，能工作于惡劣的工作條件等優(yōu)點。利用巨磁電阻效應在不同的磁化狀態(tài)具有不同電阻值的特點，可以制成隨機存儲器(MRAM)，其優(yōu)點是在無電源的情況下可繼續(xù)保留信息。

　　巨磁電阻效應在高技術(shù)領(lǐng)域應用的另一個重要方面是微弱磁場探測器。隨著納米電子學的飛速發(fā)展，電子元件的微型化和高度集成化要求測量系統(tǒng)也要微型化。在21世紀，超導量子相干器件、超微霍耳探測器和超微磁場探測器將成為納米電子學中的主要角色。其中以巨磁電阻效應為基礎設計超微磁場傳感器，要求能探測10-2T至10-6T的磁通密度。如此低的磁通密度在過去是無法測量的，特別是在超微系統(tǒng)測量如此微弱的磁通密度十分困難，納米結(jié)構(gòu)的巨磁電阻器件可以完成這個任務。

　　瑞典皇家科學院9日宣布，將2007年諾貝爾物理學獎授予法國科學家阿爾貝·費爾和德國科學家彼得·格林貝格爾，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了“巨磁電阻”效應。他們將分享1000萬瑞典克朗(1美元約合7瑞典克朗)的獎金。瑞典皇家科學院說：“今年的物理學獎授予用于讀取硬盤數(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?！?/span>

　　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(zhì)來存儲信息的。一般而言，在密封的硬盤內(nèi)腔中有若干個磁盤片，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，每個磁道又進而被劃分為若干個扇區(qū)。磁盤片的每個磁盤面都相應有一個數(shù)據(jù)讀出頭。

　　簡單地說，當數(shù)據(jù)讀出頭“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”。

　　伴隨著信息數(shù)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(shù)。1988年，費爾和格林貝格爾各自獨立發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)解決了制造大容量小硬盤最棘手的問題：當硬盤體積不斷變小，容量卻不斷變大時，勢必要求磁盤上每一個被劃分出來的獨立區(qū)域越來越小，這些區(qū)域所記錄的磁信號也就越來越弱。借助“巨磁電阻”效應，人們才得以制造出更加靈敏的數(shù)據(jù)讀出頭，使越來越弱的磁信號依然能夠被清晰讀出，并且轉(zhuǎn)換成清晰的電流變化。

　　1997年，第一個基于“巨磁電阻”效應的數(shù)據(jù)讀出頭問世，并很快引發(fā)了硬盤的“大容量、小型化”革命。如今，筆記本電腦、音樂播放器等各類數(shù)碼電子產(chǎn)品中所裝備的硬盤，基本上都應用了“巨磁電阻”效應，這一技術(shù)已然成為新的標準。

　　瑞典皇家科學院的公報介紹說，另外一項發(fā)明于上世紀70年代的技術(shù)，即制造不同材料的超薄層的技術(shù)，使得人們有望制造出只有幾個原子厚度的薄層結(jié)構(gòu)。由于數(shù)據(jù)讀出頭是由多層不同材料薄膜構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，因而只要在“巨磁電阻”效應依然起作用的尺度范圍內(nèi)，科學家未來將能夠進一步縮小硬盤體積，提高硬盤容量。

　　物理學獎

　　這兩位科學家都比較喜歡音樂。費爾最喜歡的樂手是美國爵士樂鋼琴家塞羅尼斯·蒙克，而格林貝格爾對古典音樂十分癡迷，他還是一名吉他愛好者。

　　費爾1938年3月出生于法國南部小城卡爾卡索納，1970年在南巴黎大學獲博士學位，1976年開始擔任南巴黎大學教授。自1995年以來，費爾還一直擔任法國國家科研中心與法國泰雷茲集團組建的聯(lián)合物理實驗室科學主管。費爾于2004年當選法國科學院院士。

　　格林貝格爾1939年出生于比爾森，1969年在達姆施塔特技術(shù)大學獲博士學位，1972年開始擔任德國于利希研究中心教授，2004年退休。

　　格林貝格爾的知識產(chǎn)權(quán)保護意識比較強。兩位科學家1988年發(fā)現(xiàn)“巨磁電阻”效應時意識到，這一發(fā)現(xiàn)可能產(chǎn)生巨大影響。格林貝格爾為此還申請了專利。

　　目前，根據(jù)這一效應開發(fā)的小型大容量電腦硬盤已得到廣泛應用。兩位科學家此前已經(jīng)因為發(fā)現(xiàn)“巨磁電阻”效應而獲得多個科學獎項。

　　巨磁電阻知識補充

　　巨磁電阻

　　1.什么是巨磁電阻?

　　答:在通有電流的金屬或半導體上施加磁場時，其電阻值將發(fā)生明顯變化，這種現(xiàn)象稱為磁致電阻效應，也稱磁電阻效應(MR).目前，已被研究的磁性材料的磁電阻效應可以大致分為:由磁場直接引起的磁性材料的正常磁電阻(OMR，ordinaryMR)、與技術(shù)磁化相

　　聯(lián)系的各向異性磁電阻(AMR，anisotropi。MR)、摻雜稀土氧化物中特大磁電阻(CMR，ColossalMR)、磁性多層膜和顆粒膜中特有的巨磁電阻(GMR，giantMR)以及隧道磁電阻(TMR，tunnelMR)等.

　　巨磁電阻簡而言之就是電阻值對磁場變化巨敏感的一種電阻材料。從論文里看具體的關(guān)系是在沒有外加磁場時材料程高阻態(tài)，有外加磁場(與極性無關(guān))時程低阻態(tài)。

　　IP應用

　　2.為什么巨磁電阻效應能應用到計算機硬盤上?

　　答：計算機硬盤的常用材料是磁性材料，磁頭在寫數(shù)據(jù)的時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)的時候，需要探頭能夠識別表面單元的極性，這時就可以用巨磁電阻---考慮一個用巨磁電阻做的探頭從一個單元移到另一個單元的過程，如果兩個單元表面極性相同，那么探頭表面的磁場強度似乎(我也不確切了解這方面原理，只是推測)應當變化不大，于是探頭的電阻變化也不大;如果兩個單元表面極性相反，那么探頭表面的磁場強度似乎應當經(jīng)歷一個從大到小再到大的過程，于是探頭的電阻值會出現(xiàn)一個尖峰(探測電阻很容易，只需要加恒定壓測電流)。只需要判斷有沒有這個尖峰出現(xiàn)就可以知道相鄰兩個單元的極性是否不同，再由某個已知極性的單元就可以推斷當前單元的極性。電阻隨磁場的變化越劇烈，探頭的分辨率必然越好，于是會導致單位面積的硬盤容量越來越大，因此有必要對巨磁電阻理論的創(chuàng)始人心存感恩。

　　產(chǎn)生材料

　　哪些材料能夠產(chǎn)生巨磁電阻效應

　　1,在摻雜鈣鈦礦型錳氧化物R1-xAxMnO3中發(fā)現(xiàn)巨磁電阻(GMR)， 其中1989年在摻雜鈣鈦礦型錳氧化物R1-xAxMnO3(其中A為二價堿土金屬離子，如Ca2+、Sr2+、Ba2+等，R為三價稀土金屬離子，如La3+、Pr3+、Tb3+、Sm3+等)中發(fā)現(xiàn)巨磁電阻(GMR)，由于其在磁記錄、磁傳感器等方面潛在的應用前景，以及金屬-絕緣體相變等所涉及的強關(guān)聯(lián)效應，使該類化合物吸引了物理學界的廣泛注意。2,鈣鈦礦型錳氧化物La1-xCaxMnO3具有較大的磁熱效應七十年代末至八十年代初，人們在半導體材料以及順磁材料中發(fā)現(xiàn)了由量子相干效應(由于無序而加強的載流子庫侖相互作用)導致的正磁電阻，并建立了一套基于無序的理論來解釋所觀察到的實驗現(xiàn)象。去年, Manyala在Fe1-XCoXSi中首次觀察到鐵磁材料中的由量子相干效應導致的正磁電阻。另一方面，人們又在1997年首次發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦型錳氧化物La1-xCaxMnO3具有較大的磁熱效應后[40,41]，鈣鈦礦型錳氧化物的磁熱效應引起了人們的注意。3,La07Pb03MnO3單晶樣品的由量子相干效應導致的正磁電阻效應、A05Sr05MnO3 (A= Pr, Nd) 的巨磁熱效應、多晶鋅鐵氧體和多晶NiXFe1-XS的巨磁電阻效應