巨磁阻效应
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首先理解“磁阻”的基本概念。在凝聚态物理中，磁阻（Magnetoresistance）指导体或半导体的电阻率在施加外磁场时发生变化的物理现象。通常情况下，金属的电阻会因磁场而略微增加，这称为“正常磁阻效应”，源于洛伦兹力使载流子（电子或空穴）运动轨迹发生偏转或弯曲，导致平均自由程缩短。在弱磁场下，正常磁阻的电阻变化率（Δρ/ρ）通常很小，正比于磁感应强度B的平方。
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接下来需要了解一种特殊的多层薄膜结构——“磁性多层膜”。这是由交替堆叠的纳米级（通常几纳米厚）铁磁性金属层（如铁、钴、镍及其合金）和非磁性金属间隔层（如铬、铜）构成的人工结构。在无外磁场时，相邻铁磁层的磁化方向可能由于层间交换耦合作用而呈反平行排列（即磁矩方向相反）。这种反平行排列会导致电子的散射特性发生变化。
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巨磁阻效应的核心发现是：当上述磁性多层膜结构处于外磁场中时，相邻铁磁层的磁化方向会趋于平行排列（即磁矩方向相同）。关键点在于，电子的输运性质强烈依赖于其自旋方向相对于铁磁层磁化方向的取向。在铁磁材料中，不同自旋取向（“自旋向上”或“自旋向下”相对于磁化方向）的电子感受到的散射势不同，导致其平均自由程和电阻有巨大差异。这称为“自旋相关散射”。
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具体机制如下：当相邻铁磁层的磁化方向反平行时，无论电子自旋方向如何，它进入一个铁磁层时可能处于“低电阻”状态（自旋方向与磁化方向平行，散射弱），但进入下一个铁磁层时必然处于“高电阻”状态（自旋方向与磁化方向反平行，散射强）。因此两种自旋的电子都经历强散射，总电阻很高。当磁化方向在磁场作用下变为平行时，一种自旋的电子（与磁化方向平行）在两个铁磁层中都经历弱散射，形成低电阻通道；而另一种自旋的电子则在两层中都经历强散射。由于低电阻通道的存在，总电阻显著下降。这种因磁化状态改变导致的电阻相对变化幅度（通常超过10%，甚至可达100%以上）远大于正常磁阻，故称为“巨磁阻效应”。
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这一效应由法国物理学家阿尔贝·费尔和德国物理学家彼得·格林贝格尔于1988年分别在独立的研究中发现，他们因此于2007年获得诺贝尔物理学奖。GMR的发现不仅推动了自旋电子学这一新领域的诞生，还直接催生了高密度硬盘驱动器的读取磁头技术。利用GMR效应制成的传感器能灵敏检测微小的磁场变化，将硬盘存储信息的磁信号高效转换为电信号，极大提升了存储密度。
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最后，需要区分GMR与后续发展的其他磁阻效应。例如“隧道磁阻”发生在磁性隧道结中，电子通过量子力学隧穿穿过绝缘势垒层，其隧穿概率也依赖于自旋取向，导致电阻变化。但GMR本身特指在磁性金属多层膜或“自旋阀”结构（通过非磁性层分隔两个铁磁层，其中一层磁化方向固定）中，由自旋相关散射引起的电阻巨变。理解GMR是掌握现代磁性材料和器件物理的重要基石。