巨磁阻效應

巨磁阻效應（Giant Magnetoresistance）是一種量子力學和凝聚態物理學現象，磁阻效應的一種，可以在磁性材料和非磁性材料相間的薄膜層（幾個納米厚）結構中觀察到。這種結構物質的電阻值與鐵磁性材料薄膜層的磁化方向有關，兩層磁性材料磁化方向相反情況下的電阻值，明顯大於磁化方向相同時的電阻值，電阻在很弱的外加磁場下具有很大的變化量。巨磁阻效應被成功地運用在硬碟生產上，具有重要的商業應用價值。

早在1988年，費爾和格林貝格爾就各自獨立發現了這一特殊現象：非常弱小的磁性變化就能導致磁性材料發生非常顯著的電阻變化。那時，法國的費爾在鐵、鉻相間的多層膜電阻中發現，微弱的磁場變化可以導致電阻大小的急劇變化，其變化的幅度比通常高十幾倍，他把這種效應命名為巨磁阻效應（Giant Magneto-Resistive，GMR）。有趣的是，就在此前3個月，德國優利希研究中心格林貝格爾教授領導的研究小組在具有層間反平行磁化的鐵/鉻/鐵三層膜結構中也發現了完全同樣的現象。

眾所周知，計算機硬碟是通過磁介質來存儲信息的。一塊密封的計算機硬碟內部包含若干個磁碟片，磁碟片的每一面都被以轉軸為軸心、以一定的磁密度為間隔劃分成多個磁軌，每個磁軌又被劃分為若干個扇區。

磁碟片上的磁塗層是由數量眾多的、體積極為細小的磁顆粒組成，若干個磁顆粒組成一個記錄單元來記錄1比特（bit）信息，即0或1。磁碟片的每個磁碟面都相應有一個磁頭。當磁頭“掃描”過磁碟面的各個區域時，各個區域中記錄的不同磁信號就被轉換成電信號，電信號的變化進而被表達為“0”和“1”，成為所有信息的原始解碼。

最早的磁頭是採用錳鐵磁體製成的，該類磁頭是通過電磁感應的方式讀寫數據。然而，隨著信息技術發展對存儲容量的要求不斷提高，這類磁頭難以滿足實際需求。因為使用這種磁頭，磁致電阻的變化僅為1%～2%之間，讀取數據要求一定的強度的磁場，且磁軌密度不能太大，因此使用傳統磁頭的硬碟最大容量只能達到每平方英寸20兆位。硬碟體積不斷變小，容量卻不斷變大時，勢必要求磁碟上每一個被劃分出來的獨立區域越來越小，這些區域所記錄的磁信號也就越來越弱。

1997年，全球首個基於巨磁阻效應的讀出磁頭問世。正是藉助了巨磁阻效應，人們才能夠製造出如此靈敏的磁頭，能夠清晰讀出較弱的磁信號，並且轉換成清晰的電流變化。新式磁頭的出現引發了硬碟的“大容量、小型化”革命。如今，筆記本電腦、音樂播放器等各類數碼電子產品中所裝備的硬碟，基本上都應用了巨磁阻效應，這一技術已然成為新的標準。

上圖所示是一種雙端自旋電子元件，又被稱為自旋閥，是硬碟讀取頭的重要組成部分。它的工作原理很簡單，首先將其置於外加磁場中，利用外加磁場的變化來改變兩鐵磁層的相對磁化強度取向平行或反平行。當兩鐵磁層的磁化取向相同，即平行時，可以觀察到通過器件的電流較大，也就是說電阻較小而當兩鐵磁層的磁化取向，由於其本身的磁化強度的不同在外加磁場的作用下改變為反平行時，通過器件的電流會同時變小，即電阻變大，這也是我們測試自旋電流長程輸運方法的理論基礎。在性能良好的器件中，有時電阻的變化會達到十的六次方，這也是其被稱為巨磁阻的原因。

巨磁阻效應自從被發現以來就被用於開發研製用於硬磁碟的體積小而靈敏的數據讀出頭（Read Head）。這使得存儲單位元組數據所需的磁性材料尺寸大為減少，從而使得磁碟的存儲能力得到大幅度的提高。第一個商業化生產的數據讀取探頭是由IBM公司於1997年投放市場的，到目前為止，巨磁阻技術已經成為全世界幾乎所有電腦、數碼相機、MP3播放器的標準技術。

在Grünberg最初的工作中他和他領導的小組只是研究了由鐵、鉻（Chromium）、鐵三層材料組成的樣品，實驗結果顯示電阻下降了1.5%。而Fert及其同事則研究了由鐵和鉻組成的多層材料樣品，使得電阻下降了50%。

阿爾貝·費爾和彼得·格林貝格爾所發現的巨磁阻效應造就了計算機硬碟存儲密度提高50倍的奇迹。單以讀出磁頭為例，1994年，IBM公司研製成功了巨磁阻效應的讀出磁頭，將磁碟記錄密度提高了17倍。1995年，宣布製成每平方英寸3Gb硬碟面密度所用的讀出頭，創下了世界記錄。硬碟的容量從4GB提升到了600GB或更高。

2007年10月，科學界的最高盛典—瑞典皇家科學院頒發的諾貝爾獎揭曉了。本年度，法國科學家阿爾貝·費爾和德國科學家彼得·格林貝格爾因分別獨立發現巨磁阻效應而共同獲得2007年諾貝爾物理學獎。瑞典皇家科學院在評價這項成就時表示，諾貝爾物理學獎主要獎勵“用於讀取硬碟數據的技術，得益於這項技術，硬碟在近年來迅速變得越來越小”。

巨磁阻到底是什麼？巨磁阻又稱特大磁電阻，龐磁電阻等。其MR(磁電阻)可高達10的6次方。

諾貝爾評委會主席佩爾·卡爾松用比較通俗的語言解答了這個問題。他用兩張圖片的對比說明了巨磁阻的重大意義：一台1954年體積佔滿整間屋子的電腦，和一個如今非常普通、手掌般大小的硬碟。正因為有了這兩位科學家的發現，單位面積介質存儲的信息量才得以大幅度提升。根據該效應開發的小型大容量硬碟已得到了廣泛的應用。

正如一位中國科研人員所言：“看看你的計算機硬碟存儲能力有多大，就知道他們的貢獻有多大了。”或許我們這才明白，司空見慣的筆記本電腦、MP3、U盤等消費品，居然都閃爍著耀眼的科學光芒。諾貝爾獎並不總是代表著深奧的理論和艱澀的知識，它往往就在我們身邊，在我們不曾留意的日常生活中。

採用自旋閥研製的新一代硬碟讀出磁頭，已經把存儲密度提高到560億位/平方英寸，該類型磁頭已佔領磁頭市場的90%～95%。隨著低電阻高信號的TMR的獲得，存儲密度達到了1000億位/平方英寸。

2007年9月13日，全球最大的硬碟廠商希捷科技（Seagate Technology）在北京宣布，其旗下被全球最多數字視頻錄像機（DVR）及家庭媒體中心採用的第四代DB35系列硬碟，現已達到1TB（1024GB）容量，足以收錄多達200小時的高清電視內容。正是依靠巨磁阻材料，才使得存儲密度在最近幾年內每年的增長速度達到3～4倍。由於磁頭是由多層不同材料薄膜構成的結構，因而只要在巨磁阻效應依然起作用的尺度範圍內，未來將能夠進一步縮小硬碟體積，提高硬碟容量。

除讀出磁頭外，巨磁阻效應同樣可應用於測量位移、角度等感測器中，可廣泛地應用於數控機床、汽車導航、非接觸開關和旋轉編碼器中，與光電等感測器相比，具有功耗小、可靠性高、體積小、能工作於惡劣的工作條件等優點。我國國內也已具備了巨磁阻基礎研究和器件研製的良好基礎。中國科學院物理研究所及北京大學等高校在巨磁阻多層膜、巨磁阻顆粒膜及巨磁阻氧化物方面都有深入的研究。中國科學院計算技術研究所在磁膜隨機存儲器、薄膜磁頭、MIG磁頭的研製方面成果顯著。北京科技大學在原子和納米尺度上對低維材料的微結構表徵的研究及對大磁矩膜的研究均有較高水平。