2007年度诺贝尔物理奖简介

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1、物理与工程 ? Vol. 18? No. 1? 2008? ?1 ? ? ? ?特约稿件2007 年度诺贝尔物理奖简介都有为*( 南京大学物理系, 江苏省纳米技术重点实验室, 江苏 南京? 210093)( 收稿日期: 2007?12 ?13)? ? 瑞典皇家科学院诺贝尔奖评委会 2007 年 10月 9 日宣布, 法国科学家阿尔贝 ? 费尔( Albert Fert) 和德国科学家彼得 ? 格林贝格尔( PeterGr?nberg )因 发 现 ? 巨 磁 电 阻 ? ( GiantMagnetoresistance) ( GMR) 效应而共同获得 2007年诺贝尔物理学奖. 图 1 为二位

2、科学家的肖像.图 1? 2007 年度诺贝尔物理奖获得者, 法国 Albert Fert教授与德国 Peter Gr?nberg 之肖像瑞典皇家科学院评价说, 基于? 巨磁电阻?效应开发的? 用于读取硬盘数据的技术?, 被认为是 ? 前途广阔的纳米技术领域的首批实际应用之一?. 磁电阻效应, 即磁致电阻的变化, 是指材料的电阻值随磁场变化的现象. 原则上考虑, 运动的载流子在磁场中将会受到罗仑兹力的作用, 从而改 变运动的轨迹, 导致材料电阻的变化, 通常称为正常磁电阻效应( OMR) , 其值为正, 电阻值随磁场呈抛物线型增长, 这是十分普遍的现象. 但除铋、石墨以及一些半导体外对大多数材料

3、其值甚低, 在 10 Oe 磁场下电阻变化率仅为 10- 8% , 通常不予考虑. 1857 年英国物理学家开尔文勋爵( T .Thomson) 首次发现, 铁、 钴、 镍, 及其磁性合金材 料的电阻与磁场和电流的相对方向相关, 其值较大, 被称为各向异性磁电阻效应( AMR) , 产生该磁电阻效应源于自旋- 轨道的耦合, 例如 NiFe、 NiCo 合金的最大AMR 可高达 5% ( RT) , 低场灵敏度可达 0. 3%/ Oe. 1990 年 用于硬盘读出磁头,存储密度可达 2 3Gb/ in2, 现已被 GMR 磁头所取代, 但在磁传感器中依然有一定应用. 1988 年, 费尔和格林贝

4、格尔各自独立在( Fe/Cr) 夹层膜与多层膜中发现非常显著的电阻变化.相对于上述的磁电阻效应大一个数量级以上, 这 一效应被称为? 巨磁电阻?效应, 此外, 其物理机制也不同于上述的二类磁电阻效应, 而源于电子自旋在磁性薄膜界面与自旋相关的散射作用, 根据这一效应开发的小型大容量硬盘已得到广泛应 用. 一台 1954 年的体积占满整间屋子的电脑其容量还不如一个如今非常普通、 手掌般大小的硬盘.目前所有的微机中磁盘的读出磁头均已采用 GMR 效应磁头, 存储密度目前已达 150Gb/ in2,50 多年来磁记录密度增加 107倍, 其产值已达 350亿美元. 鉴于其巨大的经济效益与社会影响,

5、以及发展磁电子学新学科的奠基作用, 他二人获诺贝 尔物理奖是众望所归.图 2? (Fe/ Cr) n 多层膜的巨磁电阻效应1988 年费尔教授的科研组报道了在( Fe/ Cr) 多层膜中发现巨磁电阻效应之后 1, 引起了科学*编者按? 都有为教授为中国科学院院士.2? ? ? ? 物理与工程? Vol. 18? No. 1? 2008界广泛的兴趣与重视, 迅速地发展成为一门新兴的学科 ? 磁电子学. 格林贝格尔教授研究了两铁磁层间的耦合作用, 也独立发现了磁电阻效应,富有商业头脑的他同时申报了专利, 后来美国购 买了他的专利, 在 20 世纪 90 年代迅速实用化, 形成高科技产业, 而全球最

6、大的读出磁头生产基地却在中国深圳.磁电子学与传统的电子学或微电子学的主要 区别在于传统的电子学是用电场控制载流子电荷的运动, 而磁电子学是用磁场控制载流子自旋的运动. 巨磁电阻效应的发现为人们获得与控制极化自旋流开拓了现实的可能性. 多层膜巨磁电阻效应是源于载流子在输运过程中与自旋相关的散射作用. 继多层膜磁电阻效应后, 颗粒膜磁电阻效 应, 隧 道 磁 电 阻 效 应 ( TMR? ? T unnelingMagnetoresistance) , 以及锰钙钛矿化合物的庞磁电阻效应( CMR ? Colossal Magnetoresistance)相继被发现或取得重大的进展, 磁电阻效应发展

7、 的历程如表 1 所示.表 1? 磁电阻效应发展简史YearMRMaterialsReference1856AMRNi, Fe, Magnetic metalsLord Kelvin1936AMRPermalloy(NiFe Alloy)4% . 1Oe(RT )L. M. MoKeehan1955LMR(CMR)La ?Ca ?M n ?O Perovskite RT , Bulk1975TMRFe/ Ge/ Co, 14% . 4. 2KJulliere1988GMR(Fe/CR)n80% . 4. 2K 20TA Fert( P. Grunberg)1992GMRGranular fil

8、ms, Cu/Co, Co/AgA. E. Berkowitz;C. L. Chien1994CMRPerovskites Thin Film(LaBa) MnO3, 60% , 6T , RT(LaCa)MnO3, 127000% , 6T, 77KR. Von. HelmoltS. Jin1995TMRFe/ Al2O3/ Fe, 18% RTCoFe/ Al2O3/ Co. 11. 8% RTT. M iyazakiJ. S. Moodera1999TMRCoFe/ Al2O3/ CoFe, 42% RTS. S. Parkin2003TMRFe/ MgO/Fe, 100(80K); 6

9、7% RTJ. Faure ?Vincent? ? 表中, 以 MgO 为绝缘层的TMR 效应取得突破性的进展, 用它制备的磁传感器性能已显著地超过GMR效应器件, 已在读出磁头等领域进入商业化 阶段, 隧道磁电阻效应是由( 铁磁薄膜/ 绝缘薄膜/铁磁薄膜) 所构成的夹层膜纳米结构, 电子通过与自旋相关的隧道效应输运所产生的磁电阻效应.细心的读者会发现, 图 2 的巨磁电阻效应, 虽 然磁电阻效应很大, 但所需的饱和磁场也很高, 甚至高达 20kOe, 显然其磁场灵敏度很低, 约 10- 3量级, 远低于坡莫合金的各向异性磁电阻效应, 因此是没有应用价值的. 1991 年达尼( Dieny)

10、等人 2提 出了自旋阀的结构, 见图 3.图 3? 自旋阀的示意图。基片上先生长一层低矫顽力的软磁薄膜, 其上再生长一层非磁性材料薄膜, 再在其上生长一层铁磁薄膜, 覆盖其上的为反铁磁性钉扎层物理与工程 ? Vol. 18? No. 1? 2008? ?3 ? ? ? ? ? 他们巧妙地利用反铁磁层将其邻近的铁磁层磁化方向钉扎住, 然后只需用低磁场控制低矫顽力、 无钉扎、 自由铁磁层的磁化方向, 就可以在低 磁场下实现大磁电阻效应. 形象地描叙, 自旋阀类似于水阀, 当上下二铁磁层磁化方向相反时, 电流难以通过, 相当于关上自来水龙头, 当自由铁磁层 的磁化方向在低磁场下转向与钉扎铁磁层磁化方

11、向一致时, 极化自旋电流就很容易通过, 好像自来水龙头阀门打开的情况, 这种控制自旋电流的纳 米结构就好像控制自旋电流的阀门, 称为自旋阀.自旋阀多层膜结构使产生巨磁电阻效应的饱和磁场大为降低, 从而开拓了磁电阻器件的新纪元. 高密度的磁记录读出磁头、 磁随机存储器、 磁传感 器、 自旋晶体管等相继问世, 并已取得显著的经济效益与巨大的社会影响.20 世纪人类最伟大的成就是微电子工业的 崛起, 但从物理的观点看来它仅仅是利用了电子具有电荷这一特性, 众所周知, 电子不仅具有电荷同时又具有自旋, 以往这 2 个自由度分别在电子 学与磁学这 2 个领域中各显身手, 而在磁电子学中这 2 个自由度同

12、时在固体中被用上了, 从物理的角度考虑, 增加一个自由度意味着可以增添无 数新颖的应用, 极化自旋与电子电荷在固体内部受控的运动, 导致磁与电在固体内部有机结合的新器件的诞生. 为了在微电子器件中实现磁控的目的, 必须将极化自旋注入到半导体中, 近年来在 这方面从材料到结构进行了多方面的探索工作,取得了一定的进展, 这是从磁电子学向半导体自旋电子学发展的重要趋势, 尽管离开实用还相当 远, 但其应用前景十分诱人, 已成为国际研究的热点. 自旋电子学应当包括磁电子学与半导体自旋电子学两个方面, 自旋电子学中所涉及到产生自 旋极化的纳米结构材料是一类新型的功能材料,这是自旋电子学重要的材料基础,

13、从能带的观点看来, 产生材料铁磁性的能带结构必须在费米面 相应于二反向自旋具有非平衡的电子态密度, 例如 3d 过渡族元素: Fe、 Ni、 Co 等金属与合金, 此外如 Heusler 合金, 其通用式为 X2YZ, 其中 X、 Y 为 3d 过渡族元素, Z 为 ?、?以及 ?族元素, HalfHeusler 合金 XYZ. 其他如锰钙钛矿磁性化合物,CrO2、 Fe3O4、 EuO 等磁性化合物等属于半金属材 料, 其能带结构中仅一半能带的电子参于输运, 从理论上考虑应当是理想的自旋极化的材料. 为了有效地将极化自旋注入到半导体中, 近年来稀释磁性半导体材料颇受青睐, 已在宽禁带的半导体

14、氧化物, 如 T iO2、 ZnO 中掺入 Mn、 Fe、 Co 等 3d 过渡族元素发现了铁磁性, 在常规半导体材料, 如 GaAs、 InAs、 Ge、 Si 中掺入 Mn 同样发现了铁磁性, 并用光发射二极管论证了稀磁半导体( Zn0. 91Be0. 06Mn0. 03Se) 可以高效率地将极化自旋注入到GaAs 半导体中. 磁电子器件所用的磁性材料如 3d 过渡金属与合金, 氧化物磁性材料等, 均是人们所热知的、常规的材料, 为什么以前没有发现与自旋相关的 巨磁电阻效应呢? 原因是以往人们研究的材料均是宏观的尺寸, 其尺度远大于电子自旋扩散长度,( 相应于电子在输运过程中自旋反向的行程

15、) , 统计平均的结果将不呈现自旋极化的效应, 对于金 属磁性材料,其电子自旋扩散长度大约在 100nm 左右, 因此巨磁电阻效应只能在纳米结构的材料中呈现. 材料人工纳米结构化, 犹如点石成金, 将普通的 材料演变为具有特殊性能的新型功能材料.20 世纪最伟大的成就是微电子工业的崛起,迄今为止, 不论集成电路或超大规模集成电路中的半导体元器件, 甚至单电子器件, 仅仅利用了电 子具有电荷这一自由度, 用电场控制载流子的运动, 从而获得特定的功能. 磁性与电性是通过外部的连接而耦合在一起的. 长期以来人们梦寐以求 磁性与半导体性能在固体内部进行耦合, 巨磁电阻效应的发现, 意味着在固体内部可以

16、存在磁与电的耦合, 无疑地为进一步研究磁性半导体注入了一剂强心针, 在新形势下科学家换了新的思维, 假如在半导体中进行输运的载流子不是自旋无规取向的电子, 而是自旋极化的电子, 那么可以同时利用电子具有电荷又具有自旋这 2 个自由度, 不仅可以利用电场, 而且可以利用磁场来控制载流 子输运, 自旋自由度的添加, 将会产生难以估量的新型电子学器件的诞生. 此外, 电子在金属中的平均自由程约为 10nm 量级, 但在半导体中电子的 平均自由程可增加到 10?m 量级, 十分有利于构建半导体自旋电子学器件, 因此如何将极化电子注入到常规半导体中, 就成为解决问题的焦点, 现在, 采用多层膜、 隧道结的方法已可轻易地产生自 旋极化电子流, 当然首选的是将金属中的极化电子引入到半导体中, 实验的结果并不理想, 由于金( 下转第 5 页)物理与工程 ? Vol. 18? No. 1? 2008? ?5 ? ? ? ?贝尔奖, 都引起了科学界的不平. 诺贝尔奖得主Rabi、杨 振 宁、李 政 道、Steinberger、Ramsey、Seaborg、 Rainwat