磁化法减小强磁性材料电阻效应

王尚坤 李永林

（郑州大学，河南 郑州 450001）

磁化法之所以能减小强磁性材料的电阻， 与安培分子电流假说和磁电阻效应密切相关。

在分子的内部，存在着一种环形电流，这种环形电流实际上原子中是围绕原子核旋转运动的电子形成的，安培将这种电流称为分子电流。 这种分子电流使每个微粒成为一个个微小的磁体，而分子的两侧则相当于两个磁极。 通常情况下，磁体分子的分子电流取向是杂乱无章的， 它们产生的磁场互相抵消，对外不显磁性。 当外界磁场作用后，分子电流的取向大致相同，分子间相邻的电流作用抵消，而表面部分未抵消，它们的效果显示出宏观磁性。 这就是安培分子电流假说。

根据导电微观原理:在导体导电时，导体内部的运动的电子即载流子并不是沿电场方向直线前进，而是不断和晶格中的原子以及不发生定向运动的电子产生碰撞，又称散射，每次散射后电子都会改变其运动方向 （宏观表现为消耗电能产生热能，电阻温度升高），总的运动是电场对电子的定向加速与这种无规散射运动的叠加。 我们称电子在两次散射之间走过的平均路程为平均自由程，电子的散射几率小，平均自由程长，电阻率低。

强磁性材料在受到外加磁场作用时引起的电阻变化，称为磁电阻效应。 不论磁场与电流方向平行还是垂直，都将产生磁电阻效应。 当磁场方向与电流方向平行称为纵磁场效应，当磁场方向与电流方向垂直称为横磁场效应。 一般强磁性材料的磁电阻率即磁场引起的电阻变化与未加磁场时电阻之比在室温下小于8%，在低温下可增加到10%以上。已实用的磁电阻材料主要有镍铁系和镍钴系磁性合金。

强磁性材料的电阻率在外加磁场时为什么会发生变化呢？

由安培分子电流假说我们知道， 强磁性材料中的磁体分子在无外加磁场时，其分子电流取向是杂乱无章的，当存在外加磁场时，分子电流取向大致相同。 结合导电微观原理我们不难发现，这种分子电流实际上是由在外加电场时晶格中不发生定向运动的电子围绕晶格中的原子核旋转运动形成的。

当给强磁性材料通电并无外加磁场时， 此时磁性材料内部的分子电流取向杂乱无章，于是通电磁性材料中的运动的电子即载流子将不断与晶格中的原子核以及围绕原子旋转运动的电子产生碰撞并改变运动方向，电子散射几率大，平均自由程短，电阻率高；当给强磁性材料通电并存在有外加磁场时，此时磁性材料内部的分子电流取向大致相同，于是通电磁性材料中的运动的电子（载流子）与晶格中的原子核以及围绕原子核旋转运动的电子产生碰撞的几率大大减小， 电子散射几率小，平均自由程长，电阻率低。 这就好比一个人穿过排列整齐的军队要比穿过混乱的集市要容易得多！ 于是，强磁性材料在外加磁场时其电阻率较无外加磁场时电阻率发生变化，这就是磁电阻效应，具体的关系是无外加磁场时，磁电阻呈高阻态，外加磁场时呈低阻态。 笔者就磁化法减小强磁性材料电阻效应进行了一次实验验证，实验结果与论文符合得很好。

巨磁阻效应是磁电阻效应的延伸以及投入到实际生产生活上应用的切入点。

所谓巨磁电阻（GMR）效应是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在显著变化的现象。 巨磁阻效应就涉及到量子力学的范畴， 巨磁阻效应一种量子力学效应，产生于层状的磁性薄膜结构。 这种结构是由铁磁材料薄膜层和非铁磁材料薄膜层交替叠合而成。 当铁磁膜层的磁矩相互平行时，载流子与自旋电子之间的散射最小，材料有最小的电阻率。 当铁磁层的磁矩为反平行时散射最强，材料的电阻率最大。 实际上，法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔因分别独立发现巨磁阻效应而共同获得2007 年诺贝尔物理学奖。

磁电阻效应已应用于实际的生产生活中， 利用磁电阻效应可以制成换能器和传感器，磁电阻材料还可用于制造磁记录磁头、磁泡检测器和磁膜存储器的读出器等。

巨磁电阻应用于计算机硬盘领域取得的效果也比较理想，计算机硬盘的常用材料是磁性材料，磁头在写数据的时候改变硬盘表面磁性材料单元的极性以记录0 和1， 在读取数据的时候，需要探头能够识别表面单元的极性，这时就可以用由巨磁电阻原理制作的探头，如果两个单元表面极性相同，那么探头表面的磁场强度应变化不大， 于是探头的电阻变化也不大；如果两个单元表面极性相反，那么探头表面的磁场强度似乎应当经历一个从大到小再到大的过程，于是探头的电阻值会出现一个尖峰。 只需要判断有没有这个尖峰出现就可以知道相邻两个单元的极性是否不同，再由某个已知极性的单元就可以推断当前单元的极性。 电阻随磁场的变化越剧烈，探头的分辨率必然越好，于是用巨磁电阻原理制作的探头更有优势。 最终会使单位面积的硬盘容量越来越大，制作的电脑也能够更小更轻，服务于我们的日常生活中。