GMR的原理-韋克威-量子力學的宏觀應用
GMR的量子力學
要了解GMR在原子水平上是如何工作的,請考慮以下類比:如果一個人在兩組轉動相同方向的滾子(類似于平行自旋對齊的磁性層)之間拋出一個球(類似于傳導電子),則該球往往會順利進行。但是,如果上下滾輪的旋轉方向相反,則球會彈起并飛散。可替代地,可以將GMR效應與通過偏振器的光進行比較。當偏振器對準時,光會通過。當它們的光軸相對旋轉時,光被阻擋。
金屬的電阻取決于其導電電子的平均自由程,在GMR器件中,其取決于自旋方向。在鐵磁材料中,傳導電子的自旋與鐵磁體的磁矩平行時會自旋向上,反之則自旋。在非磁性導體中,在所有能帶中都有相同數量的自旋向上和自旋向下電子。由于鐵磁交換相互作用,在導帶中自旋向上和自旋向下的電子數量之間存在差異。量子力學指出,電子進入鐵磁導體時被散射的概率取決于其自旋方向。通常,具有與鐵磁體中大多數自旋對準的自旋的電子將進一步傳播而不會被散射。
在GMR自旋電子器件中,第一磁性層使電子自旋極化。如果第二層的力矩與偏振片的力矩不對齊,則第二層會強烈散射自旋。如果第二層的力矩對齊,則允許旋轉通過。因此,電阻根據磁性層的力矩是平行的(低電阻)還是反平行的(高電阻)而變化。
最佳的層厚度可增強磁性層的反平行耦合,這對于在不施加磁場時將傳感器保持在高電阻狀態是必不可少的。當外部磁場克服反平行耦合時,磁性層中的力矩會對齊并減小電阻。但是,如果這些層的厚度不合適,則耦合機制會通過在磁性層之間造成鐵磁耦合來破壞GMR效應。
為了使自旋相關的散射成為總電阻的重要組成部分,這些層必須比大多數自旋電子材料中電子的平均自由程薄(至幾納米)。典型的GMR醫療傳感器具有大約3 nm(或十分之一英寸的英寸)厚的導電層。作為參考,其少于10個原子層的銅,并且小于一張薄紙的厚度的千分之一。
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