磁隧穿效应（Tunneling Magnetoresistance Effect）现象源于量子的波动性，束缚在某个区域的粒子能隧穿一个能量势垒进入另一个能量区域。 出现明显隧穿效应需要同时具备两个基本条件：势垒一边有填充态，而势垒另一边同样能级位置处存在未填充态；另一个条件是势垒层的厚度必须很薄，通常为1nm左右。在无外加电压时，势垒层上下两电极的费米面相等，故没有隧穿效应。如图1所示, 加上偏置电压后，上下两极的费米面将发生相对位移。若两层磁化方向互相平行，则在一个磁性层中，多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，总的隧穿电流较大；若两磁性层的磁化方向反平行，情况则刚好相反。通过施加外部磁场可以改变两铁磁层的磁化方向，从而使得隧穿电阻发生变化，引起TMR效应的出现。

图1 隧穿磁电阻效应示意图

研究者把由两层铁磁薄膜材料（FM）和中间势垒绝缘层（I）组成的三明治结构称为磁隧道结（Magnetic Tunnel Junction, MTJ）。 MTJ 由钉扎层（Pinning Layer）、隧道势垒绝缘层（Insulator Film）、自由层（Free Layer）构成。钉扎层由被钉扎层（Pinned Layer）和反铁磁层（AFM Layer）构成，隧道势垒层通常由MgO或Al2O3构成。图2（a）的箭头分别代表被钉扎层和自由层的磁矩方向。被钉扎层的磁矩在一定大小的磁场作用下是相对固定的，自由层的磁矩相对于被钉扎层的磁矩是相对自由且可旋转的，随外场的变化而发生翻转。各薄膜层的典型厚度为0.1 nm到100 nm之间。图2（b）所示的是在理想情况下的MTJ的磁电阻响应曲线。

图2 (a) MTJ的组成结构; (b) 理想情况下的MTJ的磁电阻响应曲线