巨磁阻效应为硬盘磁纪录的设计

电子自旋的发现，来自一场「想不到可以成功」的实验。1913年，波耳（Niels Bohr）提出角动量量子化的概念，也就是在量子世界，角动量必定是「普朗克常数除以2π」（符号为几分钟）的整数倍，例如某种粒子具有的角动量是几分钟的1倍，代表在观察这种粒子时，角动量只可以是的重点的 -1、0、+1倍，不能是kde的0.1倍、0.2倍等等介于中间的值。
这个概念对当时的人来说太前卫，违反直觉，反对者包括接下来上场的两位主角──斯特恩（Otto Stern ）与格拉赫（ Walther Gerlach ）。
斯特恩与格拉赫于 1922 年设计了一个实验，本意为「反驳」波耳的说法。他们将「银」蒸发，产生银原子束，穿过一个不均匀的磁场，投射到屏幕上。在通过不均匀磁场时，带有角动量的银原子会受到偏折。如果角动量不是量子化的 （具有各种方向的角动量），偏折的角度将有无限可能，屏幕上应是一片连续分布的银原子。但实验结果出人意表：银原子偏折的角度只有两个。换言之，角动量真的是量子化的！如以下视频所示：
电子自旋解说：
  在做实验之前，斯特恩信心满满的说：「波耳这个没道理的模型如果是对的，我退出物理圈！」格拉赫也说：「没有实验这么蠢的！」（不过他们还是做了。）但最后他们不但被狠狠打脸，还寄了明信片给波耳告解：「波耳，你终究是对的。」不过，这两人的脸可没被白打，这个实验正式拉开现代电磁学的序幕！「当时他们看到的现象，其实就是电子的自旋1/2 ！因电子的自旋角动量只有两种可能：-1/2 及+1/2 ，所以只会产生两条偏折路线。」钱嘉陵笑着说：「能够看见这个现象，真的很走运！」

这两位科学家有多走运？两人使用的粒子束虽然不是电子，却正好是银原子，这是少数体积够大足以观测、整体效应却又等同一个电子的粒子。「如果他们换一种原子来做，就不会看到自旋了！」钱嘉陵提出另一幸运条件：「这个实验的银原子这么少，怎么看得见？原来当时的科学家会在实验室抽雪茄烟，是烟，让银原子现形。」
尽管自旋在1922 年就发现了，但碍于自旋是纳米尺度的现象，需要高科技的观测技术才能观察，因此又过了六十几年，相关成果才开始崭露头角，包括发现层间耦合（ interlayer coupling ）以及巨磁阻效应（ giant magnetoresistance ）等等。「自1986 年起，几乎每一两年，大家就找到一个关于自旋的新题目，现代磁学的黄金时代就此揭开序幕。」钱嘉陵回想。

        若用一个词来叙述「现代磁学」，那个词就是「自旋」。

自旋电子引爆磁性存储器革命

自旋电子学出现的年代，正是电脑蓬勃发展的年代。电脑里负责长期存储的硬盘，内部是涂满了磁性物质的盘片，也就是每个记忆单元都像是一个小磁铁一样，以磁矩的方向来记录 0 或 1 。因为磁矩的方向不会轻易消失，即使电脑关机、不通电了，也能储存资料。
然而科技的快速发展，磁纪录的密度愈来愈高。自1957年第一个硬盘发明以来，50年内硬盘的存储密度增加了10亿倍。这意味着同样的体积里多了10亿倍以上的小磁铁，或者说，每个小磁铁的体积缩小了10亿倍。在磁铁密度不断增高、体积不断缩小的情况下，不论是制作硬盘或是读写资料，皆越来越困难。
          硬盘包含磁盘片和磁头，磁盘片负责纪录资讯、磁头负责读写资讯。每个磁盘片的存储面都对应一个磁头，磁盘片以每分钟数千转到上万转高速旋转，这样磁头就能对磁盘片的指定位置进行读写。
          传统的磁头是读写合一的电磁感应式磁头，不论读写都以电磁感应的方式进行。后来的硬碟设计将读取和写入分开，采用磁阻式磁头—-通过电阻变化而不是电流变化来感应磁场信号，对于信号的变化更敏感、也更准确，而且读取信号与磁轨宽度无关，磁轨可以做得很窄，大大增加磁盘的储存密度。
幸好，我们有了自旋电子学！1986 年，科学家发现当两层铁磁性薄膜中间夹着特定金属时，随着特定金属厚度改变，铁磁薄膜的磁场方向会跟着改变，以反向、同向、反向、同向...... 交互循环，称为「层间耦合」。钱嘉陵解释：「这个现象很奇特，里面学问很多，所以一时之间大家都在研究层间耦合，包括我。」
1988年，法国科学家费尔特（Albert Fert）发现，若对薄膜磁场反向的层间耦合元件加上一个大磁场，将其中一片薄膜的磁场硬是翻转过来，就可以让这个组件的电阻降得很低，而且幅度高达50%，这就是「巨磁阻效应」。
为什么会有巨磁阻效应？因为电子自旋有上、下两个方向。如果电子通过的导体里有上、下两种方向的磁场，两种自旋的电子都会受到干扰，这时电阻就会很大。但如果导体里只有一种方向的磁场，其中一种自旋方向的电子就可顺利通过，不受干扰，电阻就会变小。
          巨磁阻效应解释图。如果今天电子通过的导体里有上、下两种方向的磁场，自旋方向为上下的电子都会受到干扰，这时电阻就会很大。如果导体里只有一种方向的磁场，那么其中一种自旋方向的电子就可以顺利通过，电阻就会变得很小。
巨磁阻效应潜力无穷

巨磁阻效应为硬盘磁纪录的设计带来了全新可能。其中一个重要的例子，便是德国物理学家格林贝格（Peter Grünberg）利用巨磁阻效应研发了「自旋阀结构(spin valve structure) 」，改变了硬盘读取头的运作模式。最早的硬盘读取头，是将缠绕有感应线圈磁性物质对准记录的磁区，再根据感应线圈的磁通量变化所产生的感应电流，来得知该磁区记录的是0 或1 。然而，磁区对感应线圈造成的磁场如果不够大，感应电流不够明显，读取就可能产生误差。
自旋阀结构的好处就是只需要小小的磁场，就能产生明显的电阻变化，不但使得读取能精准正确，还能减少耗费的能量。