磁性物理學(xué)課程簡介課件

什么是磁性？物質(zhì)在非均勻磁場中受到作用。磁性是物質(zhì)的基本屬性之一。磁性的應(yīng)用，特別在近一百多年中，已經(jīng)深入到人類生活、生產(chǎn)等各個方面。在科學(xué)研究中，磁性不僅作為內(nèi)容，也作為手段。自旋電子學(xué)是二十一世紀(jì)初最為科技界關(guān)注和最有前途的研究方向之一。磁性物理課主要介紹凝聚態(tài)物質(zhì)各種磁性的形成機理及宏觀表現(xiàn)，磁有序的各種理論，外磁場作用下磁性物質(zhì)內(nèi)部的相互作用過程以及磁性應(yīng)用的相關(guān)問題。該課程為本科生應(yīng)用物理專業(yè)固體物理課之后的選修專業(yè)課，授課52學(xué)時，計3個學(xué)分?！洞判晕锢韺W(xué)》課程簡介

幾乎遍及人類生產(chǎn)、生活的各個領(lǐng)域。磁性的應(yīng)用揚聲器；小型電機；磁帶；磁頭；磁密封圈；天線；偏轉(zhuǎn)磁芯等。見章綜書P154磁性在家用電器中的應(yīng)用宇航員頭盔的密封是納米磁性材料的

最早重要應(yīng)用之一----磁性液體磁冰箱原型機

磁冰箱很可能在某一天取代您廚房中的傳統(tǒng)電冰箱

June23,2004沒有磁的應(yīng)用，現(xiàn)代文明是不可想像的。了解物質(zhì)磁性，已經(jīng)成為我們從事現(xiàn)代生產(chǎn)，熟悉現(xiàn)代生活的必要準(zhǔn)備，更是我們可以選擇的研究方向。

ModernMagneticMaterials:PrinciplesandApplications

O’Handley2000年在他的書中寫道：美國來自硅谷的磁性元件產(chǎn)值，已經(jīng)大于在那里制造的半導(dǎo)體元件產(chǎn)值，這是磁性元件在信息工業(yè)中地位迅速提高的最好說明。20世紀(jì)80－90年代是磁性材料發(fā)展史上輝煌的一頁：(3d-4f)稀土磁性材料；非晶，納米晶磁性材料；磁電子材料等橫空出世，開創(chuàng)了磁性材料新紀(jì)元。

1984年NdFeB稀土永磁材料的發(fā)現(xiàn)Sagawa(佐川)1984年德國的H.Gleiter教授等合成了納米晶體Pd,Fe等。

1988年由非晶態(tài)FeSiB退火通過摻雜Cu和Nb控制晶粒成為新型的納米晶軟磁材料1986年Grunberg發(fā)現(xiàn)Fe/Cr/Fe三明治結(jié)構(gòu)中Cr適當(dāng)厚度產(chǎn)生反鐵磁耦合。

1988年

Baibich、Fert等發(fā)現(xiàn)(Fe/Cr)多層膜的巨磁電阻效應(yīng)。1994年Jin等在LaCaMnO3中發(fā)現(xiàn)了龐磁電阻（CMR）效應(yīng)。1995年T.Miyazaki發(fā)現(xiàn)隧道磁電阻（TMR）效應(yīng)

1993年理論表明納米級的軟磁和硬磁顆粒復(fù)合將綜合軟磁Ms高，硬磁Hc高的優(yōu)點獲得磁能級比現(xiàn)有最好NdFeB高一倍的新型納米硬磁材料。20世紀(jì)80～90年代磁學(xué)的重大發(fā)展

納米軟磁以最小的損耗實現(xiàn)高磁通量的轉(zhuǎn)換，大大節(jié)約了能源。NdFeB永磁材料比傳統(tǒng)的AlNiCo永磁材料存儲能量提高20倍以上，使用該材料制成的器件重量只有用傳統(tǒng)材料同樣功率器件的二十分之一。磁記錄密度的提高，磁頭靈敏度的提高，大大減小了磁硬盤的體積，直接推動了計算機體積的減小，計算速度的提高以及容量的加大。磁性材料的進步對社會生產(chǎn)的巨大推動第一，二代稀土永磁(1967—1975)第三代稀土永磁(1984)第一代SmCo5(60年代）；第二代Sm2Co17(70年代）；第三代Nd2Fe14B(80年代）；第四代稀土永磁？

IBM91年研發(fā)，94年推出AMR讀出頭。在1998年推出采用自旋閥結(jié)構(gòu)的GMR讀出頭，輕易突破10Gbits/in2。

日立宣布將采用CPP-GMR技術(shù)在2010年實現(xiàn)1Tbits/in2。硬盤讀出頭的發(fā)展

電子時代的瓶頸尺度限制：原子極限？量子漲落：測不準(zhǔn)原理。解決途徑：利用電子的自旋屬性

自旋電子學(xué)，其目標(biāo)是利用電子的自旋屬性，而不僅是電荷屬性，帶來電子技術(shù)領(lǐng)域的革命。

先決條件自旋極化：自旋相關(guān)散射：

自旋馳豫：達(dá)到微米級。作為對比，動量馳豫是納米級。CoNi80Fe20Fe↑(nm)↓(nm)自旋電子學(xué)時代各種磁效應(yīng)示意圖（李書p6)磁性關(guān)聯(lián)的眾多邊緣學(xué)科§1磁學(xué)基礎(chǔ)知識（6學(xué)時）§2抗磁性和順磁性（6～8學(xué)時）§3自發(fā)磁化理論（12～16學(xué)時）§4磁疇結(jié)構(gòu)（6～8學(xué)時）§5技術(shù)磁化理論（8～12學(xué)時）§6磁學(xué)專題（～8學(xué)時）磁性物理教學(xué)計劃在講授具體知識的同時，更加注意介紹磁性物理的研究方法，特別是成功先驅(qū)者的思路。和基礎(chǔ)課相比，很多理論尚不夠成熟，要以批判的態(tài)度接受，特別要注意每種理論的基本假定、適用范圍和與實驗結(jié)果的比較情況，發(fā)現(xiàn)存在問題，培育創(chuàng)新意識?！赌蹜B(tài)磁性物理》是我們主要參考教材，課件依據(jù)課程要求和聽課同學(xué)的基礎(chǔ)，做了內(nèi)容上的選擇和調(diào)整，但只是提綱，聽課并閱讀教材相關(guān)章節(jié)才能深入學(xué)好本課程。獨立完成課堂作業(yè)，寫好讀書報告是加深理解的重要步驟。平時考察會在學(xué)習(xí)成績評定上占有重要地位。

教學(xué)特點所謂“巨磁電阻”效應(yīng)，是指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時較之無外磁場作用時存在巨大變化的現(xiàn)象。根據(jù)這一效應(yīng)開發(fā)的小型大容量計算機硬盤已得到廣泛應(yīng)用。新聞：

瑞典皇家科學(xué)院諾貝爾獎委員會今天宣布，將2007年度諾貝爾物理獎授予法國科學(xué)家艾爾伯-費爾和德國科學(xué)家皮特-克魯伯格，以表彰他們發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)的貢獻(xiàn)。（2007.10.9）這是對巨磁電阻發(fā)現(xiàn)及其近20年來得到了廣泛應(yīng)用的充分肯定。M.Baibich,J.Broto,A.Fert….等9人:Phys.Rev.Letter61,2472(1988)GrunbergPhys.Rev.Letter57,2442(1986)艾爾伯-費爾1938年3月7日出生于法國的卡爾卡松，已婚并有兩個孩子。1962年，費爾在巴黎高等師范學(xué)院獲數(shù)學(xué)和物理碩士學(xué)位。1970年，費爾從巴黎第十一大學(xué)獲物理學(xué)博士學(xué)位。2004年當(dāng)選法國科學(xué)院院士。

艾爾伯-費爾目前為巴黎第十一大學(xué)物理學(xué)教授。費爾從1970年到1995年一直在巴黎第十一大學(xué)固體物理實驗室工作。后任研究小組組長。1995年至今則擔(dān)任國家科學(xué)研究中心-Thales集團聯(lián)合物理小組科學(xué)主管。1988年，費爾發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)，同時他對自旋電子學(xué)作出過許多貢獻(xiàn)。費爾在獲得諾貝爾獎之前已經(jīng)取得多種獎項，包括1994年獲美國物理學(xué)會頒發(fā)的新材料國際獎，1997年獲歐洲物理協(xié)會頒發(fā)的歐洲物理學(xué)大獎，以及2003年獲法國國家科學(xué)研究中心金獎。(關(guān)新)德國科學(xué)家皮特-克魯伯格1939年5月18日出生。從1959年到1963年，克魯伯格在法蘭克福約翰-沃爾夫?qū)?歌德大學(xué)學(xué)習(xí)物理，1962年獲得中級文憑，1969年在達(dá)姆施塔特技術(shù)大學(xué)獲得博士學(xué)位。1988年，克魯伯格在尤利西研究中心研究并發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)；1992年被任命為科隆大學(xué)兼任教授；2004年在研究中心工作32年后退休，但仍在繼續(xù)工作。克魯伯格在學(xué)術(shù)方面獲獎頗豐，包括1994年獲美國物理學(xué)會頒發(fā)的新材料國際獎(與艾爾伯-費爾、帕克林共同獲得)；1998年獲由德國總統(tǒng)頒發(fā)的德國未來獎；2007年獲沃爾夫基金獎物理獎(與艾爾伯-費爾共同獲得)。(關(guān)新)伴隨著信息數(shù)字化的大潮，人們開始尋求不斷縮小硬盤體積同時提高硬盤容量的技術(shù)。1988年，費爾和格林貝格爾各自獨立發(fā)現(xiàn)了“巨磁電阻”效應(yīng)，也就是說，非常弱小的磁性變化就能導(dǎo)致巨大電阻變化的特殊效應(yīng)。

這一發(fā)現(xiàn)解決了制造大容量小硬盤最棘手的問題：當(dāng)硬盤體積不斷變小，容量卻不斷變大時，勢必要求磁盤上每一個被劃分出來的獨立區(qū)域越來越小，這些區(qū)域所記錄的磁信號也就越來越弱。借助“巨磁電阻”效應(yīng)，人們才得以制造出更加靈敏的數(shù)據(jù)讀出頭，使越來越弱的磁信號依然能夠被清晰讀出，并且轉(zhuǎn)換成清晰的電流變化。

1997年，第一個基于“巨磁電阻”效應(yīng)的數(shù)據(jù)讀出頭問世，并很快引發(fā)了硬盤的“大容量、小型化”革命。如今，筆記本電腦、音樂播放器等各類數(shù)碼電子產(chǎn)品中所裝備的硬盤，基本上都應(yīng)用了“巨磁電阻”效應(yīng)，這一技術(shù)已然成為新的標(biāo)準(zhǔn)。

瑞典皇家科學(xué)院的公報介紹說，另外一項發(fā)明于上世紀(jì)70年代的技術(shù)，即制造不同材料的超薄層的技術(shù)，使得人們有望制造出只有幾個原子厚度的薄層結(jié)構(gòu)。由于數(shù)據(jù)讀出頭是由多層不同材料薄膜構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，因而只要在“巨磁電阻”效應(yīng)依然起作用的尺度范圍內(nèi)，科學(xué)家未來將能夠進一步縮小硬盤體積，提高硬盤容量。CCTV.com

2007年10月09日21: