磁阻效应

磁阻效应（英语：Magnetoresistance，简称MR），是指材料的电阻随着外加磁场之变化而改变的效应，其物理量的定义，是在有无磁场下的电阻差除上原先电阻，用以代表电阻变化率。有多种可以称为磁阻的效应：一些发生在大量非磁性金属和半导体中，例如几何磁阻，舒勃尼科夫-德哈斯振荡或金属中常见的正磁阻^[1] 。其他的效应发生在磁性金属中，例如铁磁体中的负磁阻^[2]或各向异性磁阻（AMR）。

发现

磁阻效应最初于1856年由威廉·汤姆森，即后来的开尔文勋爵发现^[3]，但是在一般材料中，电阻的变化通常小于5%，这样的效应后来被称为“常磁阻”（ordinary magnetoresistance, OMR）。他尝试了铁片，发现当电流与磁力方向相同时，电阻增加，当电流与磁力成90°时，电阻降低。然后他用镍做了同样的实验，发现它以同样的方式受到影响，但效果更大。这种效应被称为各向异性磁阻（AMR）。

关于磁阻发现的动画图

Corbino圆盘。随着磁场关闭，由于电池连接在（无限）电导率边缘之间，径向电流在导电环中流动。 当沿着轴线的磁场接通时，洛伦兹力驱动电流的圆形分量，内外边缘之间的电阻上升。这种由于磁场引起的电阻的增加被称为“磁阻”。

在2007年，阿尔贝·费尔和彼得·格林贝格共同获得诺贝尔奖，因为发现巨磁阻效应^[4]。

几何磁阻

可以在Corbino圆盘上研究由于磁场对电流的直接作用引起的磁阻的一个例子（见图）。它由一个具有完美导电轮辋的导电环组成。当没有磁场时，电池驱动轮缘之间的径向电流。当施加平行于环形轴的磁场时，由于洛伦兹力，电流的圆形分量也流动。 Giuliani提供了圆盘的讨论^[5]。这个问题的最初兴趣始于玻尔兹曼，并于1811年由Corbino独立审查^[5]。

在一个简单的模型中，假设对洛伦兹力的响应与电场相同，载流子速度v由下式给出：

${\displaystyle \mathbf {v} =\mu \left(\mathbf {E} +\mathbf {v\times B} \right),\ }$

其中μ是载流子迁移率。求解出速度，我们发现：

${\displaystyle \mathbf {v} ={\frac {\mu }{1+(\mu B)^{2}}}\left(\mathbf {E} +\mu \mathbf {E\times B} +\mu ^{2}(\mathbf {B\cdot E} )\mathbf {B} \right)={\frac {\mu }{1+(\mu B)^{2}}}\left(\mathbf {E} _{\perp }+\mu \mathbf {E\times B} \right)+\mu \mathbf {E} _{\parallel },\ }$

其中由于B场（对于垂直于该场的运动）的移动性的有效降低是显而易见的。电流（与速度的径向分量成比例）随着磁场的增加而减小，因此器件的电阻将增加。 这种磁阻场景敏感地依赖于器件几何形状和电流线，并且不依赖于磁性材料。

各种磁阻效应

常磁阻（Ordinary Magnetoresistance, OMR）

对所有非磁性金属而言，由于在磁场中受到洛伦兹力的影响，传导电子在行进中会偏折，使得路径变成沿曲线前进，如此将使电子行进路径长度增加，使电子碰撞概率增大，进而增加材料的电阻。

巨磁阻（Giant Magnetoresistance, GMR)

巨磁阻效应存在于铁磁性(如：Fe, Co, Ni)/非铁磁性(如：Cr, Cu, Ag, Au)的多层膜系统，由于非磁性层的磁交换作用会改变磁性层的传导电子行为，使得电子产生程度不同的磁散射而造成较大的电阻，其电阻变化较常磁阻大上许多，故被称为“巨磁阻”。1988年由法国物理学家阿尔贝·费尔与德国物理学家彼得·格林贝格分别发现的巨磁阻效应，也被视为是自旋电子学的发源。

超巨磁阻（Colossal Magnetoresistance, CMR）

超巨磁阻效应存在于具有钙钛矿(Perovskite)ABO₃的陶瓷氧化物中。其磁阻变化随着外加磁场变化而有数个数量级的变化。其产生的机制与巨磁阻效应(GMR)不同，而且往往大上许多，所以被称为“超巨磁阻”。

异向磁阻（Anisotropic magnetoresistance, AMR）

有些材料中磁阻的变化，与磁场和电流间夹角有关，称为异向性磁阻效应。此原因是与材料中s轨道电子与d轨道电子散射的各向异性有关。

隧穿磁阻效应（Tunnel Magnetoresistance, TMR）

隧穿磁阻效应是指在铁磁-绝缘体薄膜(约1奈米)-铁磁材料中，其隧穿电阻大小随两边铁磁材料相对方向变化的效应。此效应首先于1975年由Michel Julliere在铁磁材料(Fe)与绝缘体材料(Ge)发现；室温隧穿磁阻效应则于1995年，由Terunobu Miyazaki与Moodera分别发现。此效应更是磁阻式随机存取记忆体（MRAM）与硬盘中的磁性读写头的科学基础。

参阅

• 巨磁阻效应
• 超巨磁阻效应
• 磁阻式随机存取记忆体(MRAM)

参考资料

1. A.B. Pippard: Magnetoresistance in Metals, Cambridge University Press (1989)
2. Coleman, R.V.; Isin, A., Magnetoresistance in Iron Single Crystals, Journal of Applied Physics, 1966, 37: 1028, Bibcode:1966JAP....37.1028C, doi:10.1063/1.1708320
3. Thomson, W., On the Electro-Dynamic Qualities of Metals:—Effects of Magnetization on the Electric Conductivity of Nickel and of Iron (PDF), Proc. Royal Soc. London, 18 June 1857, 8: 546–550 [2017-07-04], doi:10.1098/rspl.1856.0144, （原始内容存档 (PDF)于2017-03-04）
4. The Nobel Prize in Physics 2007, Nobel Media AB, 9 Oct 2007 [25 Jun 2014], （原始内容存档于2017-07-01）
5. G Giuliani,. A general law for electromagnetic induction. EPS. 2008, 81 (6): 60002. Bibcode:2008EL.....8160002G. arXiv:1502.00502 . doi:10.1209/0295-5075/81/60002.