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隐藏在量子世界的秘密：什么是隧道磁阻效应（TMR）？
隧道磁阻效应（Tunnel Magnetoresistance，简称TMR）是一种在磁隧道接头（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）中观察到的磁阻效应。这种元件由两个铁磁材料构成，中间隔着一层极薄的绝缘体。当这层绝缘体的厚度只有几纳米时，电子就可以从一个铁磁体隧道穿透至另一个铁磁体。这样的过程在经典物理学中是被禁止的，因此隧道磁阻效应显然是纯粹的量子力学现象，并且与自旋电子学（Spintronics）的研究密切相关。
隧道磁阻效应被广泛应用于现代技术之中，包括硬碟读写头和新型非易失性记忆体MRAM。
磁隧道接头的制作主要依赖薄膜技术，产业上通常通过磁控溅射沉积来制作薄膜，实验室则可能用到分子束外延、脉冲激光沉积或电子束物理气相沉积等方法。这些接头的形状通常是通过光刻技术来完成的。
物理现象的描述
在隧道接头中，两个铁磁膜的磁化方向可以通过外部磁场独立改变。当磁化方向平行时，电子隧道穿过绝缘面会更为容易，然而当磁化方向相反时则会显著减少。这使得接头在低及高电阻状态之间切换成为有可能。随着科技的增加，这种性能被用于许多现代设备内。
历史背景
1975年，法国雷恩大学的米歇尔·朱利亚发现了这一效应，但当时对其结果并未引起太多的关注。直到1991年，日本东北大学的宫崎辉延在室温下发现了2.7%的变化率。随后，1994年进一步的研究显示，在铁及非晶铝氧化物的接头中，TMR的变化率可达到18%。随着新材料的出现，像是结晶的氧化镁（MgO），可以进一步将TMR增强至数千百分比。
从2001年开始，使用结晶MgO作为隧道绝缘层的磁隧道接头显著提升了隧道磁阻效应的表现。
应用领域
现今的硬碟驱动器读头是以隧道磁阻效应为基础运作的，TMR技术更是占据了新型非易失性记忆体MRAM的重要地位。第一次该技术的应用建立在每个比特上创造交叉点磁场以写入资料的基础上，但随着技术的进步，出现了热辅助切换（TAS）和自旋转移扭矩（Spin-transfer torque ）等第二代技术。此外，隧道磁阻接头也被广泛应用于各类传感器，如位置和电流传感器，并在众多应用中取代了霍尔传感器，因为其性能更为卓越。
物理解释
TMR的相对电阻变化是通过对比反平行状态和平行状态的电阻之差来定义的。隧道磁阻效应之所以存在，部分原因是因为电子的自旋极化。在隧道接头中，当两个铁磁体均为100%的自旋极化时，TMR效应将达到最大化，显示出这种结构在资料存取过程中的潜力。
量子现象的影响
随着TMR的发展，对于量子现象学的理解也持续增进。研究表明，MgO同时在结构和电子特性两方面的改进，让隧道磁阻效应的数值显著提升。此外，电子的通道特性和隧道现象受到量子力学的深刻影响，展示出这一技术能持续在更高性能的器件中发挥出重要作用。
在追求信息技术创新和发展的今天，隧道磁阻效应无疑是一个不容忽视的关键要素，未来又将如何影响我们的日常生活呢？
