巨磁阻（Giant Magnetoresistance）原理
巨磁阻（Giant Magnetoresistance）原理
國立臺灣師範大學物理系吳幸璇碩士生/國立臺灣師範大學物理系蔡志申教授責任編輯
當電子通過鐵磁性物質時，當電子的自旋方向與鐵磁性物質排列方向相同時，則電子較容易通過，其所受的磁阻較小（如圖一）；但若電子的自旋方向與鐵磁性物質排列方向不同時，則電子因碰撞故較不易通過，所受的磁阻較大（如圖二）。
電子在超晶格（superlattice）結構中的運動機制討論如下：在相鄰的兩鐵磁性層之中，其磁矩會產生交互作用。若兩鐵磁性層的距離恰當，則其磁矩會成「反平行」排列。又我們可知，鐵磁性物質的磁矩方向是可以藉由外加磁場來控制，所以當我們沿著樣品的平行方向加一磁場，則可以將相鄰鐵磁性層的磁矩轉為「平行」。故由上述可知，在零場的時候，超晶格中的鐵磁性層為「反平行」排列，當外加場大到某一數值時，則轉為「平行」排列，如圖三所示；又由前文可以知道「反平行」的狀態對應「高磁阻」，「平行」狀態則對應「低磁阻」。
而當電流通過鐵磁性層的時候，因為電子的上、下自旋而會受到不同程度的散射，此意味著兩種電子的電阻並不會相同。我們可以藉由此概念來探討雙通道電流模型；如圖四所示，電子依自旋可分為兩並排通道；當超晶格中的鐵磁性層為「反平行」排列時（圖四左圖），兩個並排的通道電子會受到「大、小、大、小…」的散射；但若鐵磁性層是「平行」排列時，則一個通道的電子會遇到「大、大、大、大…」，而另一個通道則是遇到「小、小、小、小…」的散射。
當零場時，鐵磁性物質的排列為「反平行」，當通過與電子自旋方向排列方向相反的磁性物質時造成的大磁阻即可類比為電路上的大電阻，以較粗的線條表示之；若通過與電子自旋方向相同的磁性物質時造成的小磁阻則類比為電路上的小電阻，以較細的線表示，如圖五所示；由此可知，兩個自旋方向都同時受到一個大一個小的阻抗，結合兩者可以得到等效阻抗的值。
當有足夠外加場時，磁性物質的排列為「平行」，而同上段敘述，電子自旋方向和磁性物質的磁矩方向相反時為大磁阻，類比為大電阻；電子自旋方向和磁性物質的磁矩方向相同時為小磁阻，類比為小電阻，如圖六所示；則可以得知兩的自旋方向分別受到小的阻抗和大的阻抗，故亦可以得到此等效阻抗的值。
要擁有巨磁阻的特性，即是要先得知隨著磁場的改變，而磁阻有什麼樣的變化，總合以上討論，我們可以得知， 
，即巨磁阻中電阻變化的值與金屬層中的自旋向上與自旋向下的電子的自旋差異性成平方正比的關係，故可知兩磁性層的物性及中間金屬層的厚度是決定巨磁阻中電阻變化大小的主因，當我們想要擁有好的巨磁阻特性時，我們必須控制好兩磁性層的物性及中間金屬層的厚度，才能擁有良好的巨磁阻。
參考資料：
1.張慶瑞、蘇又新（2008），「巨磁阻物理之歷史與展望—從2007 年物理諾貝爾獎談起」，物理雙月刊三十卷二期，第110~115頁
2.江文中、李尚凡（2008），「2007 諾貝爾物理獎—輕鬆看巨磁阻」，物理雙月刊三十卷二期，第116~121頁
3.維基百科–巨磁阻效應 http://zh.wikipedia.org/zh-tw/巨磁阻
