发 帖  
原厂入驻New

巨磁阻效应为硬盘磁纪录的设计

2020-11-25 10:36:46  126 存储器
分享
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。
0
2020-11-25 10:36:46   评论 分享淘帖

只有小组成员才能发言,加入小组>>

11442个成员聚集在这个小组

加入小组

创建小组步骤

关闭

站长推荐 上一条 /7 下一条

快速回复 返回顶部 返回列表