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那个引爆了下一代存储革命的东西到底是个啥?

2020-06-28 12:52:04 来源:EETOP
电子自旋号称将会引爆下一代存储革命!今天我们就来科普一下。

电子自旋有多神奇?

电子,是世界上最神秘的粒子之一。它不只带有负电荷,还会「自旋」。这个奇异的特性,是整个物质世界的根基,也是当代磁学的关键字,促成磁性记忆体等重大科技突破。约翰霍普金斯大学物理系钱嘉陵讲座教授,娓娓道来电子自旋如何开启「现代磁学的黄金时代」。

 

钱嘉陵,任教于美国约翰霍普金斯大学,并为Jacob L. Hain客座教授,专注于磁性、超导体、自旋电子学和纳米结构材料的研究。钱教授不但是美国物理学会和美国科学促进学会的会士,荣获美国物理学会的大卫阿德勒奖(David Adler Award),更得到国际物理与应用物理联盟(IUPAP)磁学奖与奈尔奖章(Néel Medal)。

电子自旋= 旋转的电子?

首先,「自旋 1/2」的电子是怎么回事?难道电子会转,而且永远只转半圈?

电子自旋,指的是电子带有的一种量子性质,简单说,科学家观察到了电子具有自旋角动量,而带电的粒子只要旋转,就会产生磁场。换句话说,每个电子不只是带着负电荷的一个小粒子,还是一个「超级迷你磁铁」(磁矩)。

不过,在一般宏观的世界里,物体具有角动量代表正在旋转,但在量子世界里,电子虽有角动量,却不能理解成电子真的在转。钱嘉陵解释:「电子是个体积无限小的粒子,没有体积,所以不可能转动,自旋完全是量子力学的概念。」没有体积,却有角动量,量子世界就是这么不可思议!

量子世界的另一个不思议,在于所有东西都「量子化」,电子自旋也一样──电子自旋角动量值在磁场中只能是 1/2 或 -1/2 ,没有其他可能的值,这就是「电子自旋 1/2 」的由来。许多其他的粒子也有自旋角动量值,但统统只能是1/2的倍数,而且相邻一定差1,例如自旋1 [1, 0, -1] 或是自旋3/2 [3/2, 1/2, -1/2, -3/2] 。

电子虽有角动量,却不能理解成电子真的在转。因为电子是个体积无限小的粒子,没有体积,所以不可能转动,自旋完全是量子力学的概念。而且电子自旋角动量值在磁场中只能是1/2或-1/2 ,没有其他可能的值,这就是「电子自旋1/2 」的由来。

如此违反直觉的电子自旋,究竟是怎么被发现的呢?

纯属意外!发现电子自旋1/2

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:

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。

自旋阀主要结构包含:一个磁场方向已固定的磁层A (pinned layer),一个避免层间耦合的中间层B (spacer layer ),一个磁场可随外界磁场改变方向的磁层C (free layer) 。当磁层C对准纪录磁区时,磁层C的磁场方向便会随着磁区而改变。如果磁层C产生的磁场方向与磁层A相同,整个结构的电阻就会很小;相反的,如果磁场方向与磁层A相反,电阻就会很大。所以只要透过测量电阻,就能瞬间确认磁区的资讯。

除此之外,科学家也利用巨磁阻效应,开发了「磁阻式随机存取存储器」(MRAM),和以往的各种存储器相比,MRAM可望拥有非易失性(关机断电也不会流失资讯)、读写耗费的能量都少(省电)、处理速度快,磁纪录密度又高的特性。

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