磁化法減小強磁性材料電阻效應

王尚坤 李永林

（鄭州大學，河南 鄭州 450001）

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

在分子的內(nèi)部，存在著一種環(huán)形電流，這種環(huán)形電流實際上原子中是圍繞原子核旋轉(zhuǎn)運動的電子形成的，安培將這種電流稱為分子電流。 這種分子電流使每個微粒成為一個個微小的磁體，而分子的兩側(cè)則相當于兩個磁極。 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)生的磁場互相抵消，對外不顯磁性。 當外界磁場作用后，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)導電微觀原理:在導體導電時，導體內(nèi)部的運動的電子即載流子并不是沿電場方向直線前進，而是不斷和晶格中的原子以及不發(fā)生定向運動的電子產(chǎn)生碰撞，又稱散射，每次散射后電子都會改變其運動方向 （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。 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，電阻率低。

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

強磁性材料的電阻率在外加磁場時為什么會發(fā)生變化呢？

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

當給強磁性材料通電并無外加磁場時， 此時磁性材料內(nèi)部的分子電流取向雜亂無章，于是通電磁性材料中的運動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)運動的電子產(chǎn)生碰撞并改變運動方向，電子散射幾率大，平均自由程短，電阻率高；當給強磁性材料通電并存在有外加磁場時，此時磁性材料內(nèi)部的分子電流取向大致相同，于是通電磁性材料中的運動的電子（載流子）與晶格中的原子核以及圍繞原子核旋轉(zhuǎn)運動的電子產(chǎn)生碰撞的幾率大大減小， 電子散射幾率小，平均自由程長，電阻率低。 這就好比一個人穿過排列整齊的軍隊要比穿過混亂的集市要容易得多！ 于是，強磁性材料在外加磁場時其電阻率較無外加磁場時電阻率發(fā)生變化，這就是磁電阻效應，具體的關(guān)系是無外加磁場時，磁電阻呈高阻態(tài)，外加磁場時呈低阻態(tài)。 筆者就磁化法減小強磁性材料電阻效應進行了一次實驗驗證，實驗結(jié)果與論文符合得很好。

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

所謂巨磁電阻（GMR）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顯著變化的現(xiàn)象。 巨磁阻效應就涉及到量子力學的范疇， 巨磁阻效應一種量子力學效應，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。 當鐵磁膜層的磁矩相互平行時，載流子與自旋電子之間的散射最小，材料有最小的電阻率。 當鐵磁層的磁矩為反平行時散射最強，材料的電阻率最大。 實際上，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。

磁電阻效應已應用于實際的生產(chǎn)生活中， 利用磁電阻效應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、磁泡檢測器和磁膜存儲器的讀出器等。

巨磁電阻應用于計算機硬盤領(lǐng)域取得的效果也比較理想，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，這時就可以用由巨磁電阻原理制作的探頭，如果兩個單元表面極性相同，那么探頭表面的磁場強度應變化不大， 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。 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，于是用巨磁電阻原理制作的探頭更有優(yōu)勢。 最終會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，服務于我們的日常生活中。