GMR的量子力學(xué)

     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(gè)人在兩組轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)球（類似于傳導(dǎo)電子），則該球往往會(huì)順利進(jìn)行。但是，如果上下滾輪的旋轉(zhuǎn)方向相反，則球會(huì)彈起并飛散。可替代地，可以將GMR效應(yīng)與通過偏振器的光進(jìn)行比較。當(dāng)偏振器對準(zhǔn)時(shí)，光會(huì)通過。當(dāng)它們的光軸相對旋轉(zhuǎn)時(shí)，光被阻擋。

     金屬的電阻取決于其導(dǎo)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(dǎo)電子的自旋與鐵磁體的磁矩平行時(shí)會(huì)自旋向上，反之則自旋。在非磁性導(dǎo)體中，在所有能帶中都有相同數(shù)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(dǎo)帶中自旋向上和自旋向下的電子數(shù)量之間存在差異。量子力學(xué)指出，電子進(jìn)入鐵磁導(dǎo)體時(shí)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(shù)自旋對準(zhǔn)的自旋的電子將進(jìn)一步傳播而不會(huì)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(huì)強(qiáng)烈散射自旋。如果第二層的力矩對齊，則允許旋轉(zhuǎn)通過。因此，電阻根據(jù)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(qiáng)磁性層的反平行耦合，這對于在不施加磁場時(shí)將傳感器保持在高電阻狀態(tài)是必不可少的。當(dāng)外部磁場克服反平行耦合時(shí)，磁性層中的力矩會(huì)對齊并減小電阻。但是，如果這些層的厚度不合適，則耦合機(jī)制會(huì)通過在磁性層之間造成鐵磁耦合來破壞GMR效應(yīng)。

    為了使自旋相關(guān)的散射成為總電阻的重要組成部分，這些層必須比大多數(shù)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(yī)療傳感器具有大約3 nm（或十分之一英寸的英寸）厚的導(dǎo)電層。作為參考，其少于10個(gè)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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