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2.4 磁阻（magnetoresistance，MR）
磁阻是指材料的電阻會因外加磁場⽽而改變的現象，磁阻現象有很多種，如：
常 磁 阻 （ ordinary magnetoresistance ， OMR ）、︑､ 異 向 性 磁 阻 （ anisotropic
magnetoresistance, AMR）、︑､巨磁阻（Giant Magnetoresistance，GMR）…等，以下 將針對與本實驗相關的磁阻現象做介紹。︒｡
1.常磁阻（ordinary magnetoresistance，OMR）
通常來說，常磁阻造成的電阻變化百分⽐比⼤大約在 0.1%，所有⾦金屬導體都有
常磁阻現象，其成因為⾃自由電⼦子在磁場中運動時會受到羅倫茲⼒力，這會使電⼦子在
⾦金屬導體中傳輸時的運動軌跡増⾧長，也增加電⼦子與晶格碰撞散射的機率，造成電 阻上升。︒｡
2.異向性磁阻（anisotropic magnetoresistance，AMR）
在磁性導體材料中，電阻的⼤大⼩小會隨著電流和磁矩之間的夾⾓角(θ)⽽而改變，在
飽和的磁場下，電流平⾏行於磁矩所量測的電阻(ρ∥)會⼤大於電流垂直於磁矩所量測 的的電阻(ρ⊥) ，⽽而過去我們實驗室曾在 Pd/Ni、︑､Cu/Ni 多層膜中看到磁場⽅方向垂 直於膜⾯面的電阻(ρ⊥)會⼤大於磁場平⾏行於電流(ρ∥)的電阻，這是和異向性磁阻
(Anisotropic Magnetoresistance，AMR)效應完全相反的現象，稱作界⾯面異向性磁 阻（interfacial AMR）效應，這與介⾯面上的⾃自旋軌道交互作⽤用有關。︒｡
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⽽而在薄膜材料中，電阻率(ρ)會隨著薄膜的厚度降低⽽而增加，且其電阻率的變化量
(Δρ)隨膜厚⽽而改變的量⾮非常⼩小，所以異向性磁阻的⽐比值（!ρ
ρ）將隨著膜厚減少⽽而 下降。︒｡⽽而異向性磁阻的成因⼀一般認為是磁矩受到⾃自旋-軌道交互作⽤用（Spin-orbit
interaction），造成 3d 軌域的對稱性破壞所導致。︒｡電⼦子受晶格和雜質的庫倫電場
作⽤用⽽而被散射，因此當有不同⽅方向的外加磁場作⽤用於磁性⾦金屬時，其內部晶格的 原⼦子軌道磁矩也會因此改變，使得導電電⼦子的⾃自旋磁矩會和晶格的原⼦子軌道磁矩 有不同的耦合狀況，導致當對磁性⾦金屬施加不同⽅方向的外加磁場時，在外加磁場 的作⽤用下其內部會有不同的庫倫電場，⽽而不同的庫倫電場將造成電⼦子不同的散射 率，從⽽而導致異向性磁阻。︒｡
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2.5 ⾃自旋霍爾效應（Spin Hall Effect，SHE）
若在⼀一通電流的導體上加上⼀一個橫向 DC 磁場，電荷載⼦子會因為勞倫茲
（Lorentz） ⼒力的作⽤用，⽽而往垂直於電流⽅方向的兩邊偏移，這會使導體兩側產⽣生 電壓差。︒｡這在 1879 年發現的現象稱為霍爾（Hall）效應。︒｡⽽而在 1970 年代，學者
Dyakonov和 Perel 提出了⾃自旋霍爾效應[1]。︒｡他們表⽰示在沒有外加磁場的作⽤用下，
由於⾃自旋軌道耦合效應（Spin–orbit interaction），⾃自旋向上的電荷載⼦子受雜質散 射後會往⼀一邊偏移⽽而⾃自旋向下的電荷載⼦子會往另⼀一邊偏移，形成⾃自旋流（spin
current），如圖 2.5.1 所⽰示。︒｡這種現象稱⾃自旋霍爾效應（Spin Hall Effect，SHE）。︒｡
⽽而後來，學者 Murakami 等⼈人[15] 和 Sinova 等⼈人[16]分別提出在純半導體中或⼆二 維⾃自由電⼦子系統中，由於相對論對能帶的影響，也會出現⾃自旋霍爾效應。︒｡這種⾃自 旋霍爾效應，稱內在⾃自旋霍爾效應（intrinsic spin Hall effect），以便和 Dyakonov 和 Perel 的⾃自旋霍爾效應區隔，後者被稱為外在⾃自旋霍爾效應 (extrinsic spin Hall
effect)。︒｡和傳統霍爾效應及量⼦子霍爾效應不同，⾃自旋霍爾效應不會造成橫向電壓
差（因為是⾃自旋流⽽而⾮非電⼦子流），⽽而且無需外加磁場。︒｡換句話說，⼈人們可利⽤用⾃自 旋霍爾效應在⾮非磁性材料，在無外加磁場的情況下，產⽣生⾃自旋流。︒｡
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圖 2.5.1 ⾃自旋霍爾效應⽰示意圖（改編⾃自[17]）
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