具有室温巨隧道磁电阻效应与高自旋极化率的新材料

具有室温巨隧道磁电阻效应与高自旋极化率的新材料 A NEW MATERIAL WITH HIGH POL ARIZATIO N AND GIANT TUNNEL ING MA GNETO RESISTANCE AT ROOM TEMPERATURE DU You2Wei ( )National Key L aboratory of Solid State Microstructures , Nanjing University ; Department of Physics , Nanjing University , Nanjing 210093 , China Abstract The history and applications of tunneling magnetoresistance are described briefly. The observation of giant tunneling magnetoresistance at room temperature in two phase nanostructure zinc ferriteΠhematite is reported. The results show that zinc ferrite has high polarization and is a promising material for future study. Key words tunneling magnetoresistance , polarization , ferrite 2000 年 ,美国总统克林顿宣称未来美国国会大 电子具有电荷同时又具有自旋磁矩 ,通常电子在 运过程中由于碰撞而导致自旋磁矩在空间的取向 图书馆的所有信息可以存储在仅仅一块方糖大小的 混乱的 ,因此在宏观输运性质中仅需考虑电子具 存储器中. 近年来 ,磁盘的存储密度迅速增长 ,硬盘 2 ( 电荷就足够了 . 然而当电子通过与电子帄均自由存储密度每帄方英寸可达 65 Gb ,并向 100 GbΠin1in 程相当的纳米铁磁薄膜时 ,自旋磁矩的取向与薄 ) = 010254m 目 标 挺 进 . 预 期 磁 的 随 机 存 储 器 磁化方向相一致的电子较易通过 ,自旋磁矩的取 () MRAM不久有可能取代现在微机中所应用的半导 与薄膜磁化方向不一致的电子难以通过 ,从而导 () 体内存 DRAM, 这些惊人的进展都与磁电阻效应 自旋极化效应 ,这好像自然光通过偏振片成为极 相关 ,这里将简单介绍隧道磁电阻效应新进展. 的偏振光一样 , 利用超导非磁绝缘体铁磁金属 ΠΠ量子力学理论明微观粒子具有波动性 ,从而 道结亦可以测定电子自旋极化. 不难想像 ,对铁磁 具有隧穿势垒的能力 ,称为隧道效应 . 要观察到明显 属Π非磁绝缘体Π铁磁金属的隧道结 , 当处于非磁 的隧道效应 ,通常要求势垒的宽度大致上与微观粒 缘体左右的铁磁金属层的磁化方向相一致时 ,具 子的德布罗意波长相当. 早在 20 世纪 50 年代 ,科学 该自旋磁矩取向的电子容易通过 ,电阻小 ,反之二 () 家已在金属Π绝缘体Π金属 MIM多层膜中观察到电 磁化方向相反时 ,电阻大 ,因此 ,用外磁场控制磁 ( ) 子隧道效应 ,继后又在超导Π绝缘体Π超导 SIS夹层 状态就可以改变隧道结的电阻 ,这就是磁电阻效应 膜中观察到超导隧穿电流 ,称之为约瑟夫森效应 ,它 1 1975 年 ,J ulliere 对 Fe ΠGeΠCo 磁性隧道结输运性 在超导电子器件中得到广泛的应用 ,科学家约瑟夫 的研究作了重要的开拓性工作 ,发现隧道阻抗随 森获 1973 年诺贝尔物理学奖. 获 1986 年诺贝尔物 化状态而变 ,在 412 K ,电导的相对变化可达 14 %. ( ) 理学奖的扫描隧道电子显微镜 STM发明者罗列尔 室温磁电阻效应不明显 ,此后一些科学家对磁性 所利用的也正是金属Π空气绝缘层Π金属的电子隧道 效应. () () 3 国家重点基础研究发展项目973批准号 : G1999064508资助 电子的隧道效应不仅具有重要的量子效应的基 2001 - 11 - 27 收到初稿 ,2002 - 01 - 22 修回 通讯联系人 , E - mail : dyw @nju. edu. cn † 础研究意义 ,而且具有巨大的应用价值. 众所周知 , () 31 卷 2002 年4 期 ?203 ? 道结进行了多方面的研究 ,但十多年来均无重要突 ,但随着温度的升高 , 磁电阻效应显著地下 阻效应 降 ,多数室温值低于 2 % ,十余年来均未取得新的进破 . 1988 年 , 法国巴黎大学 Ferit 教授科研组在 Fe Π 2 CrΠFe 多层膜发现巨磁电阻效应, 在全世界掀起 展 ,至今仅 Sr FeMoO 多晶体中发现室温 TMR 值可 2 6 5 了研究热潮 ,Ferit 教授荣获两次世界级的大奖. 理论 达 1115 %. 上为了解释巨磁电阻效应 ,在电子输运过程中必须 鉴于隧道磁电阻效应具有巨大的应用潜力 ,探 考虑与自旋相关的散射效应 ,从而开拓了磁电子学 索室温巨隧道磁电阻效应的新材料 ,成为国际上颇 的新学科 ,现已扩展为自旋电子学 ,隧道磁电阻效应 α 受重视的研究热点. 我们在 ZnFeO- 2FeO0141 2159 4 2 3 复相多晶铁氧体中发现了隧道型的巨磁电阻效应 , 是自旋电子学的重要组成部分 ,而自旋电子学必将 室 温 TMR 值 可 高 达 158 % , 412 K 温 度 下 为会成为纳米电子学的重要分支 . 在巨磁电阻效应研 6 1280 %,迄今为国际上的最高值 . 并且 , 在相当宽 究的热潮的冲击下 ,科学家重燃起对隧道磁电阻效 的温区内 ,磁电阻效应几乎不随温度变化 ,室温附近 应研究的热情 ,1995 年在 FeΠAlOΠFe 隧道结结构中 2 3 磁电阻效应对温度不灵敏 ,这在应用上是十分重要 首先取得突破 , 发现室温磁电阻效应可高达 18 % , 3 的 ,从而为基础研究与应用基础研究提供了一类值 液氦温度下为 30 %, 取得了重要的进展 , 掀起了 得进一步研究的高自旋极化率的新材料体系. 新的研究热潮 . 继后又发现 CoFeΠAlOΠCo 磁隧道结 2 3 4 的磁电阻效应在室温下也可达 16 % —18 %,其磁 场灵敏度为 5 % —8 %ΠOe ,大于多层膜 、颗粒膜 ,从而 参 考 文 献 () 为磁随机存储器 MRAM、磁传感器等应用提供了 J ulliere M. Phys. Lett . ,1975 ,54 :225 1 ] 很好的纳米结构材料. 理论表明 ,磁隧道结的磁电阻 Baibich M N ,Brato J M ,Fert A et al . Phys. Rev. Lett . ,1988 ,61 : 2 ] ( ) 效应 ,在不考虑自旋反转时 ,与自旋极化率 P的帄 2472 方成正比 ,从理论上考虑 ,半金属材料具有高自旋极 3 ] Myazaki T , Kinder L R. J . Magn. Magn. Mater . ,1995 ,139 :L231 ; 化率 , P 值最高为 1 , 由其构成的隧道结 可 获 得 高 1995 ,151 :403 TMR ,促 使 人 们 对 FeO, CrO, TlMnO, SrFeMoO3 4 2 2 2 7 2 6 Moodera J S et al . Phys. Rev. Lett . ,1995 ,74 :3273 ;J . Appl . Phys , 4 ] 等一系列化合物开展了隧道磁电阻效应的研究工 1996 ,79 :4724 作 ,在这些化合物中 ,尽管在低温可获得较大的磁电 Kobayashi K L et al . Nature ,1998 ,395 :677 5 ] Chen P , Xing D Y , Du Y W et al . Phys. Rev. Lett . , 2001 , 87 : 6 ] 107202 物理新?闻? ( )编码程序与信息压缩 Squeezing Imf ormation from Zipping Progra ms 许多个人计算机中常用的文件编码实际上是一种数据压缩程序 ,它对信息分析具有很大的帮助. 最近意 ( ) 大利的科学家们提出了一个文件压缩的例行程序 ,他们是 La . Sapienza 大学 位于罗马的以 E. Caglioti 博士 为首的研究组 . 这个程序能正确地确认文件的语言 、作者等 ,且具有很高的压缩效率. 传统的数据压缩编码程序首先是搜索一个文件中重复出现的字符串并将它们记录下来 ,同时充分注意 各个子序列在字符串的相对位置. 这样一个未曾编码的文件就用这一系列的字符串的编码所代替. 这种编码 技术特点适用于较长的文件文本. 如果在一个意大利的文件上附加一页意大利文的附录 ,那么对这页的编码 将极其容易 ,因为附录中出现的文字与短语都曾在正文中出现过 ,但如果这页意大利文的附录是加在一个英 文的文件后面 ,那原先的编码程序就要匆匆忙忙地去学习一种新的语言 ,这就会大大地降低压缩效率. 现在罗马的研究者们找到了一种新的文件压缩技术 ,在他们的程序中只要确认 20 个字符串后 ,程序就 能识别文件的语言 ,因而能正确地对文件的内容 、作者等进行分类. 基于对文件语言的正确分类 ,从而使搜索 器具有更高级的功能. 这种编码技术提供了一种对多种语言确认的精确方法 ,也就是找到了各种不同语言间 的逻辑关系. 虽然他们现在只是着力于研究各种语言文本的文件编码 ,但他们已经注意到这种信息编码技术 也能应用到其他方面 ,如 DNA 序列 、地质记录 、医药数据和股票市场的涨落等. () 云中客摘自 Phys. Rev. Lett . ,28 J anuary 2002