里程碑發(fā)現(xiàn)——“巨磁電阻”效應(yīng)

楊裕輝

瑞典皇家科學(xué)院于2007年10月9日宣布,2007年諾貝爾物理學(xué)獎的獲得者分別是法國科學(xué)家阿爾貝?費爾和德國科學(xué)家彼得?格林貝格爾,這兩名科學(xué)家因為發(fā)現(xiàn)了“巨磁電阻”效應(yīng)而共同獲得了2007年諾貝爾物理學(xué)獎.

“巨磁電阻”效應(yīng)主要是指磁性材料在有磁場作用時發(fā)生變化的現(xiàn)象.目前“巨磁電阻”效應(yīng)已經(jīng)普遍應(yīng)用在大容量的技術(shù)硬盤上了.可以這樣說,我們現(xiàn)在能夠用上價格便宜的大容量硬盤是一定要感謝這兩位科學(xué)家的,他們獲得諾貝爾物理學(xué)獎當(dāng)之無愧.

費爾(如圖1)于1938年3月7日出生于法國的卡爾卡松,1962年,在巴黎高等師范學(xué)院獲數(shù)學(xué)和物理碩士學(xué)位.1970年,費爾從巴黎第十一大學(xué)獲物理學(xué)博士學(xué)位,目前為巴黎第十一大學(xué)物理學(xué)教授.從1970年到1995年,他一直在巴黎第十一大學(xué)固體物理實驗室工作,后任研究小組組長.1995年至今則擔(dān)任國家科學(xué)研究中心-Thales集團(tuán)聯(lián)合物理小組科學(xué)主管.1988年,費爾發(fā)現(xiàn)“巨磁電阻”效應(yīng),同時他對自旋電子學(xué)作出過許多貢獻(xiàn).

格林貝格爾(如下頁圖2)于1939年生于皮爾森市(目前屬于捷克共和國),德國國籍,獲得德國達(dá)姆施塔特工業(yè)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位.

費爾和格林貝格爾于1988年發(fā)現(xiàn)的“巨磁電阻”效應(yīng)極大提高了電腦硬盤的數(shù)據(jù)存儲量,因此他們將分享總金額為1 000萬瑞士法郎的獎金,相當(dāng)于150萬美元.

格林貝格爾的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識比較強(qiáng),兩位科學(xué)家1988年發(fā)現(xiàn)“巨磁電阻”效應(yīng)時意識到,這一發(fā)現(xiàn)可能產(chǎn)生巨大影響,格林貝格爾為此申請了專利.

“巨磁電阻”效應(yīng),簡單地說就是一個微弱的磁場變化,可以在巨磁電阻系統(tǒng)中產(chǎn)生很大的電阻變化.當(dāng)鐵磁性材料和非磁性金屬層交替組合成的材料在足夠強(qiáng)的磁場中時,就會出現(xiàn)電阻突然巨幅下降的現(xiàn)象.特別值得注意的是,如果相鄰材料中的磁化方向平行時,電阻會變得很低;而當(dāng)磁化方向相反時,電阻則會變得很大.電阻值的這種變化,是由于不同自旋的電子在單層磁化材料中散射性質(zhì)不同而造成的.

眾所周知,硬盤能夠存儲包括音樂在內(nèi)的信息,這些信息被存在微小的磁化區(qū)里,信息則通過記錄磁場變化的讀取器取出.硬盤越小,各個磁化區(qū)的面積也越小,磁化的程度也越弱.因此如果欲在一張硬盤中存儲更多信息,就需要更為靈敏的讀取器.基于“巨磁電阻”效應(yīng)制成的讀取器使得存儲單字節(jié)數(shù)據(jù)所需的磁性材料尺寸大為減小,從而使得磁盤的存儲能力得到大幅度的提高.基于“巨磁電阻”效應(yīng)原理制成的讀取器,可以將細(xì)小的磁場變化轉(zhuǎn)換成不同的電阻,使讀取器產(chǎn)生不同的電流,而電流是讀取器的信號.第一個商業(yè)化生產(chǎn)的數(shù)據(jù)讀取探頭是由IBM公司于1997年投放市場的,到目前為止,“巨磁電阻”技術(shù)已經(jīng)成為全世界幾乎所有電腦?數(shù)碼相機(jī)?MP3播放器的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù).

具有“巨磁電阻”效應(yīng)的材料為生產(chǎn)商業(yè)化的大容量信息存儲器鋪平了道路,同時它們也為進(jìn)一步探索新物理——比如隧穿磁阻效應(yīng)?自旋電子學(xué)以及新的傳感器技術(shù)——奠定了基礎(chǔ).現(xiàn)在,“巨磁電阻”效應(yīng)已經(jīng)是一種非常成熟的舊技術(shù)了,如何將隧穿磁阻效應(yīng)開發(fā)已成為未來的新技術(shù)寵兒.

1994年,IBM公司研制成“巨磁電阻”效應(yīng)的讀出磁頭,將磁盤記錄密度一下子提高了17倍,從而在與光盤競爭中,磁盤重新處于領(lǐng)先地位.硬盤的容量從4 G提升到了當(dāng)今的600 G或更高.1997年基于“巨磁電阻”效應(yīng)的讀出磁頭研制成功,很快成為標(biāo)準(zhǔn)技術(shù).即使在今天,絕大多數(shù)讀出技術(shù)仍然是“巨磁電阻”的進(jìn)一步發(fā)展.

由于“巨磁電阻”效應(yīng)易使器件小型化?廉價化,除讀出磁頭外同樣可應(yīng)用于測量位移?角度等傳感器中,可廣泛地應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床?汽車測速儀?非接觸開關(guān)和旋轉(zhuǎn)編碼器中,與光電等傳感器相比,它具有功耗小?可靠性高?體積小?能工作于惡劣環(huán)境中等優(yōu)點.

此外,利用“巨磁電阻”效應(yīng)在不同的磁化狀態(tài)具有不同電阻值的特點,可以制成隨機(jī)存儲器,由于其具有可在無電源的情況下繼續(xù)保留信息的優(yōu)點,已經(jīng)成為計算機(jī)?手機(jī)?數(shù)碼相機(jī)?MP3等電器必備的存儲元件.

我國科學(xué)工作者和相關(guān)企業(yè)在過去十幾年里也持續(xù)開展了有關(guān)新型磁電阻材料和器件及其物理研究,并取得了顯著的科研成果.國際上至今發(fā)現(xiàn)具有“巨磁電阻”效應(yīng)的20多種金屬納米多層膜中,有三種是我國學(xué)者發(fā)現(xiàn)的,部分研究結(jié)果還被費爾收錄在其后續(xù)發(fā)表的綜述論文中.

我們相信,隨著國家科技不斷發(fā)展,以及有關(guān)部門科研經(jīng)費投入強(qiáng)度的不斷提高,對新型磁電阻材料和器件及其物理的研究和應(yīng)用,必將對我國高科技信息技術(shù)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生重要的推動作用.