磁感黑科技（能让未来电脑一秒开机的黑科技）

磁感黑科技（能让未来电脑一秒开机的黑科技）LED 就是发光二极管简单来说，电子具有质量、电荷、自旋等等物理量，而人们可以利用这些物理量开发出各式各样的电子组件。例如科学家就是利用电子带电荷的特性，开发出了晶体管、二极管、集成电路等等，大幅增加了人类生活的便利性。电流改变的状况与磁场和电流间的角度有关：当电流方向与磁场平行时，电子漂移速度会较慢，即电阻增大；反之，当电流方向与磁场垂直时，漂移速度较快，即电阻减小。一般来说，电阻率在这种模式下的增减幅度约为 5%。在 1988 年，艾伯特-费尔与皮特-格林博格博士在各自的研究中发现了一种可以让磁性材料产生非常大磁电阻变化的方法。他们发现，把具有磁性（注释2）的铁和没有磁性的铬重复堆栈，组成「铁铬多层膜结构」，这个多层结构在外加磁场下，每一层铁的磁矩方向会发生变化，而电流中含有两种不同的电子自旋方向，分别感受到不同大小的电阻，因而导致非常大的磁阻效应，其电阻变化幅度高达 50％，这也就是

如果你使用手机、平板、或是计算机阅读这篇文章，那你正在享受 2007 年诺贝尔物理奖研究成果而来的甜美果实。

巨磁阻是什么？先从磁阻谈起

2007 年的诺贝尔物理奖颁给了法国的费尔与德国的格林博格，为了奖励他们发现「巨磁阻效应」(giant magnetoresistance GMR) 及其相关研究。

在巨磁阻的相关研究发表之前，科学家已经知道外加磁场会小幅影响材料的电阻率，也就是一般所谓的磁阻效应：「外来磁场所引起的电阻变化」。而「巨磁阻」顾名思义，即是在特定的材料下，电阻变化的现象更加显着。

要解释磁阻效应这样的情况，先让我们缩小到微观尺度进行观察：一块施有外加磁场的导体，在通入电流下，导体内部漂移的电子会因洛伦兹力（注释1）改变其运动行为。

电流改变的状况与磁场和电流间的角度有关：当电流方向与磁场平行时，电子漂移速度会较慢，即电阻增大；反之，当电流方向与磁场垂直时，漂移速度较快，即电阻减小。一般来说，电阻率在这种模式下的增减幅度约为 5%。

在 1988 年，艾伯特-费尔与皮特-格林博格博士在各自的研究中发现了一种可以让磁性材料产生非常大磁电阻变化的方法。他们发现，把具有磁性（注释2）的铁和没有磁性的铬重复堆栈，组成「铁铬多层膜结构」，这个多层结构在外加磁场下，每一层铁的磁矩方向会发生变化，而电流中含有两种不同的电子自旋方向，分别感受到不同大小的电阻，因而导致非常大的磁阻效应，其电阻变化幅度高达 50％，这也就是我们所知的巨磁阻效应。

巨磁阻开创的全新领域：自旋电子学！

巨磁阻效应的发现具有重大意义，除了强大的应用性，它还开创了一个全新领域：自旋电子学 (spintronics)。

简单来说，电子具有质量、电荷、自旋等等物理量，而人们可以利用这些物理量开发出各式各样的电子组件。例如科学家就是利用电子带电荷的特性，开发出了晶体管、二极管、集成电路等等，大幅增加了人类生活的便利性。

LED 就是发光二极管

而现在科学家们，在巨磁阻效应的发现与成功展示后，得以借由电子的自旋特性开发出新一批的电子组件。

电子自旋性到底是什么？跟巨磁阻有什么关系？

电子的自旋具有两种方向：上与下。一般来说，这些电子在通过非磁性材料时是不可分辨的，也就是找到自旋向上或向下的电子的概率是一样的，我们称这个特性为「自旋不可分辨性」。

但当电子通过具有铁磁性的材料时，如果材料内部具有自发性磁矩（即材料已经具备了磁性），不同自旋方向的电子与材料内部磁矩会产生交互作用，就会有不同的表现，而我们可以利用这个特性将自旋不同方向的电子区分开来。

与自发磁矩平行的电子在传导过程中较不会被散射，但与自发磁矩反平行的电子，则很容易与自发磁矩碰撞而散射。这个效应可以用一个实例来比喻：在跨年夜时顺着人流行走，与逆着人流行走，速度将有显着的差异。对应到磁性材料中，逆向人流将产生更多的擦撞（散射），进而使整体的输运速度降低（高电阻）。

若把这个原理套用到 1988 年费尔与格林博格博士所提出的铁铬多层膜结构时，就可以解释巨磁阻效应是怎么发生的：每一层铁的磁矩全部平行时，只有自旋方向与磁距相反的电子会被散射，而自旋方向相同的电子则容易通过。反之，当每一层铁呈现交互反平行时，无论自旋向上或向下的电子都会被散射。

这个结果反映在铁铬多层膜电阻的量测上，就会呈现极大的电阻变化率，这种模型称为「电流双信道模型」。

电流双信道模型

如上图所示，FM（蓝色）表示磁性材料，NM（橘色）表示非磁性材料，磁性材料中的箭头表示磁化方向；Spin的箭头表示通过电子的自旋方向；R（绿色）表示电阻值，绿色较小表示电阻值小，绿色较大表示电阻值大，我们将一束电流拆成自旋向上与向下的电子，他们在通过磁化方向与自身相同的铁性层时将体验到小电阻 (r)，反之通过相反磁化方向的磁性层时将体验到大电阻 (R)。从巨观的角度这里的电阻有两个并联，而图右的 Rr – rR 并联相较于图左的 rr – RR 并联大得多，也就是右图的磁化方向交叉出现，就会出现巨磁阻效应。

而时隔 30 年，美国华盛顿大学与香港的研究团队发现了一种新型的复合性材料，使巨磁阻效应能被更显着放大。

他们改良 1988 年费尔等人的铁铬多层膜结构，藉由先进的纳米技术在两层石墨烯中间插入一至多层的三碘化铬薄膜，形成另一种多层膜材料。而由于 CrI3 分子内含较「铁铬多层膜结构」中的铬层更大的磁矩，因此更容易操纵电子在其中的移动速率。

两层石墨烯中间插入三碘化铬薄膜

新研究中将两层石墨烯中间插入三碘化铬薄膜，形成电阻变化率更大的多层膜材料。

此一复合系统只需施加微量的磁场改变其中 CrI3 的磁化方向，便可出现出高达 19000% 的电阻变化率，与最初费尔等人的 50% 相比，提高了近 400 倍。

而此一大跃进，不仅使物理界为之振奋，也为科技界注入一剂强心针。

巨磁阻：我们生活中的科技应用

事实上，日常生活中所见的磁盘即是受惠于巨磁阻效应。

我们日常生活使用的磁盘储存数据的方式，就是所谓的「磁记录」。即是利用磁场感应的方式，探测或改变部分铁磁性材料区域的磁矩方向，以达成记录目的。

磁性材料中磁矩的分布通常是一区一区的，称为「磁域」。在同一磁域中磁矩的排列方向都相同，但不同磁域的磁化方向可以不同，磁域的排列方向便可做为 1 或 0 的数字讯号。因此磁域密度大小，与读写入磁域方向的方法，将是决定磁储存技术质量的关键。

我们日常生活使用的磁盘储存数据的方式，就是所谓的磁记录

巨磁阻效应最大的应用在于制作硬盘机的读取头。当读取头经过不同磁矩方向的扇区时，其内多层薄膜的磁性层会与扇区发生交互作用，进而影响读取头内多层膜中的磁性层，呈现平行或反平行状态，因而使得整个薄膜系统的电阻产生极大变化、影响通过电流的大小，由此读取待测扇区的相关信息。

巨磁阻读取头是利用扇区之间的磁场大小，来决定多层膜中的磁性层是否反转；相较于原本依靠磁通量变化使读取头内线圈产生感应电流来判读的方式，更能减少因电流噪声所造成的误判。除了更加准确，同时也更薄更省电。薄膜纳米级的厚度，以及读取的精准度，大幅缩小了硬盘的体积，使新一代硬盘的容量得以大幅增加。

巨磁阻薄膜奈米级的厚度使新一代硬盘的容量大幅增加

有了 MRAM，未来计算机手机开机只需一秒？

除了硬盘读取头的应用之外，巨磁阻效应在内存的进步也占有一席之地。

目前常用的内存 (RAM) 可分为两类，一是挥发性内存，如动态随机存取内存 (DRAM) 或静态随机存取内存 (SRAM)；另一类则是非挥发性内存，如闪存。

「挥发性」或「非挥发性」的区别，是指当某个组件储存数据后，若外部电源关闭，在电源重新启动时先前储存的数据尚能保留住，则称为非挥发性，若否，则称为挥发性。

DRAM 与 SRAM 是计算机中最重要的两种内存，它们的特性各异。DRAM 耗电量大且数据处理速度慢，优点是容量较大；而 SRAM 处理速度非常快，记忆密度却小了很多。由于 DRAM 与 SRAM 都是挥发性内存，每当计算机启动时，都须重新执行操作系统的加载动作，耗时甚多。若能使用非挥发性内存取代它们，便可实现随开即用的便利。

但现有的非挥发性内存因处理速度缓慢，而且读写数次后便会失效，因此尚无法取代 DRAM 与 SRAM。

但若能应用巨磁电阻效应开发出磁阻式随机存取内存 (MRAM)，除了兼具非挥发性、省电、处理速度快，以及高度可重复读写特性之外，记忆密度也非常高。前面提及研究中，所发表的新颖材料亦让人们看到 MRAM 愈趋耀眼的前途。

如新材料能成功进入应用阶段，将可望在不久之后取代现有的内存组件，成为新世代的内存。如台积电近年来即开始研发整合自家低漏电的晶体管与 MRAM，打造出利于物联网的硬件环境。

未来技术成熟时，若能以 MRAM 成功取代目前计算机手机上的内存，不仅将大幅降低功耗，开机时间也将缩短至一秒以内，更多应用也会随之而生。

未来技术成熟时，MRAM 甚至能开机时间缩短至一秒以内

总而言之，巨磁阻效应的重要性，会在未来的科技产品中慢慢浮现，而此次华盛顿大学与香港团队对于巨磁阻薄膜的突破性发现，也在相关的科学与科技领域中，立下一新的里程碑。

批注：

劳仑兹力 (Lorentz force)：运动于电磁场的带电粒子所感受到的作用力。

铁磁性 (Ferromagnetism)：又称作强磁性，指的是材料在磁化后，仍能维持磁性的特性。常见如铁在磁场中放置一段时间后，即使磁场消失仍能维持一定之磁性。

参考数据

Giant tunneling magnetoresistance in spin-filter van der Waals heterostructures

Science 360 (6394) 1214-1218. DOI: 10.1126/science.aar4851 May 3 2018

新一代内存发威 MRAM 开启下一波储存浪潮

Giant Magnetoresistance: Basic Concepts Microstructure Magnetic Interactions and Applications. MDPI Sensors 2016 16 904 17 June 2016