巨磁電阻的原理與應用
97/06/11
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黃榮俊｜
成功大學物理學系
許峻瑜｜
成功大學創新卓越研究中心
2007 年諾貝爾物理獎是由法國巴黎第十一大學（Universite Paris-Sud 11）物理系教授艾伯特．費爾（Albert Fert）博士及德國尤里西研究中心（Julich Research Centre）皮特．葛林柏格（Peter Grunberg）博士獲得，兩人是因為在 1988 年同時發現「巨磁電阻效應」（giant magnetoresistance, GMR）的成就而共同獲獎。
所謂「磁電阻」效應是指「由磁場所引起的電阻變化」的效應，而「巨磁電阻」是表示這種磁電阻變化效果非常顯著。事實上，早在發現巨磁電阻效應之前，科學家就已懂得利用磁場改變磁性物質的電阻。
把磁場外加在一個通入電流的磁性導體上，漂移電子的運動會受到勞倫茲力的影響，使磁性導體的電阻發生變化。當電流方向與磁場平行時，電子漂移速度會較慢，即電阻較大。反之，當電流方向與磁場垂直時，漂移速度較快，即電阻較小。
這種異向性（anisotropic）的磁電阻現象，早在 1990 年就已經應用在電腦硬碟的「讀取頭」上了。但由於磁阻變化程度非常微弱，小於 5％，因而限制了它做為資料儲存元件的可能。
1988 年，艾伯特‧費爾與皮特‧葛林柏格博士同時發現一種可以讓磁性材料產生非常大的磁電阻變化的方法。他們把具有鐵磁性的鐵和沒有磁性的鉻重複堆疊，這個多層的堆疊結構在外加磁場下，每一層鐵的磁矩排列會發生變化，因此導致非常大的磁電阻效應，變化的程度高達 40％。
巨磁電阻效應的發現具有重大意義，過去人們僅能利用電子的電荷特性開發各種電子元件，例如電晶體、二極體、積體電路等，也的確帶給人們生活上極大的便利。現在電子的另一物理特性－－自旋（spin），在發現巨磁電阻效應之後，也進入人們的日常生活中了。
一般來說，電子常被比喻成一個非常小的球體，因此就字面意義而言自旋就是電子自轉所產生的效應，但事實上電子根本不會自轉。在古典物理學中，「角動量」是一個維持球體自轉的物理量，因此所謂電子自旋，只是在量子力學中用來描述電子具有角動量這個抽象觀念的表示法。
因電子自旋的特性而產生了巨磁電阻效應，從而應用於硬碟的讀取頭，這種同時利用電子自旋與帶電特性所開發的新世代多功能電子產品新領域，不同於以前微電子工業僅利用電子的帶電特性，因而稱為「自旋電子學」（spintronics）。
巨磁電阻效應在硬碟讀取頭上的應用，的確使人們的生活更加便利，但這僅是自旋電子學實際應用的一個開端而已。其他產品如已接近上市階段的「非揮發性磁阻式隨機存取記憶體」（non-volatile magnetoresistive random access memory, MRAM），或還在實驗室研究階段的自旋電子元件等，都正積極開發中。
巨磁電阻效應的原理
電子具有自旋的物理特性，且自旋電子又分為上自旋電子與下自旋電子，這些電子在通過非磁性材料時是不可分辨的，也就是找到自旋向上或向下的電子的機率是一樣的，我們稱它為「自旋不可分辨性」。但當電子通過鐵磁性材料時，由於鐵磁性材料具有自發性磁矩，因此自旋向上或向下的電子會與鐵磁材料的自發磁矩發生交互作用而有不同的表現。
與自發磁矩平行的電子在傳導過程中較不會被散射，但與自發磁矩反平行的電子，則很容易與自發磁矩碰撞而散射。這個效應可以用一個實例來比喻，想像開車時遇到十字路口，直行車只需在路口稍微減速便可以順利通過；但若是準備左轉，就必須待相反方向的來車先行通過後方可轉彎。這正如電子若遇到與自己反平行的磁矩，會因被散射而不易通過；反之若遇到的是與自己平行的磁矩，那就有如直行車較不會被散射，因此容易通過。
把這個原理應用到艾伯特‧費爾博士與皮特‧葛林柏格博士所提出的鐵鉻多層膜結構時，可以了解當每一層鐵的磁矩全部平行時，只有自旋方向與磁距相反的電子會被散射，而自旋方向相同的電子則容易通過。反之，當每一層鐵呈現交互反平行時，無論自旋向上或向下的電子都會被散射。這個結果反映在鐵鉻多層膜電阻的量測上，就會呈現極大的電阻變化率，這種模型稱為「電流雙通道模型」。
巨磁電阻效應的應用
巨磁阻效應又是如何應用到硬碟讀取頭上，而且讓硬碟容量更加提高呢？所謂「磁記錄」就是利用磁場感應的方式，探測或改變鐵磁性材料某些區域的磁矩方向，以達成記錄的目的。磁性材料中磁矩的分布通常是一區一區的，在每一區中所有磁矩排列方向都相同，不同的區域則有不同的排列方向，這樣的一個區域稱為「磁區」。排列方向相反的磁區便可做為1或0的數位訊號，因此磁區密度是否夠大與讀出或寫入磁區方向的方法，便是磁記錄技術中最重要的課題。
用來讀出或寫入磁區的元件稱為「磁頭」，傳統上是一個有導線線圈纏繞的磁性物體，其中用來探測磁區方向的磁頭稱為「讀取頭」，用來改變磁區訊號的磁頭則稱為「寫入頭」。當讀取頭經過不同磁區時，會使讀取頭上磁通量發生變化。根據法拉第定律，磁通量變化造成的感應電流會使得在線圈兩端讀取到電壓，如此便能達到讀出的動作。若要寫入時，則在纏繞線圈兩端通入電流，使寫入頭產生磁場來改變不同磁區的磁矩方向。
這種讀出與寫入的方式稱為「電磁感應式磁頭」，這種磁頭最大的缺點在於讀取的方式是利用磁通量變化來進行判讀，若磁通量的變化不夠明顯，或未達到能夠判斷的靈敏度時，就會造成讀取頭的讀取錯誤。此外，這種讀取方式也很容易受到雜訊的影響而誤判。
巨磁阻效應最大的應用在於製作硬碟機的讀取頭，若把上述電磁感應式讀取頭以巨磁電阻多層膜取代，當巨磁電阻讀取頭經過不同磁矩方向的磁區時，會與巨磁電阻多層膜中的磁性層發生交互作用，進而改變多層膜中的磁性層呈現平行或反平行狀態。根據上述原理，多層膜上便可測得極大的電阻變化，因此可以明確地判斷待測磁區的相關資訊。
由於巨磁電阻讀取頭是利用磁區之間的磁場大小，來決定多層膜中的磁性層是否反轉，因此可以明確地避免因為雜訊變化所造成的錯誤判讀。而由於巨磁電阻多層膜受到微小磁場的變化就會產生極大的電阻變化，對於微小的磁區判斷有極高的靈敏度，因此不但大幅縮小了硬碟的體積，並有效提高其容量，同時也更加省電，這便是巨磁電阻效應最重要的應用。
除了硬碟讀取頭的應用之外，巨磁電阻效應在記憶體方面也占有一席之地。目前常用的記憶體可分為兩類，一是揮發性記憶體，如動態隨機存取記憶體（DRAM）或靜態隨機存取記憶體（SRAM），另一類則是非揮發性記憶體，如快閃記憶體。「揮發性」或「非揮發性」的區別，是指當某個元件儲存資料後，若外部電源關閉，在電源重新啟動時先前儲存的資料尚能保留住，則稱為非揮發性，若否，則稱為揮發性。
DRAM 與 SRAM 是電腦中最重要的兩種記憶體，它們的特性各異。DRAM 耗電且資料處理速度較慢，優點是容量較大；而 SRAM 處理速度非常快，記憶密度卻小了很多。由於 DRAM 與 SRAM 都是揮發性記憶體，每當電腦啟動時，都須重新執行作業系統的載入動作，耗時甚多。若能使用非揮發性記憶體取代它們，便可實現隨開即用的便利。但現有的非揮發性記憶體因處理速度緩慢，而且讀寫數次後便會失效，因此尚無法取代 DRAM 與 SRAM。
但若應用巨磁電阻效應所開發的磁阻式隨機存取記憶體，除了兼具非揮發性、省電、處理速度快，以及高度可重複讀寫特性之外，記憶密度也非常高。因此可望在不久之後取代現有的記憶體元件，成為新世代的記憶體。
由這些應用來看，「自旋電子學」的確已漸漸融入我們的生活中，雖然目前僅有「巨磁阻讀取頭」與「非揮發磁阻式隨機存取記憶體」已經或接近商業化應用，實際上其他自旋電子學元件，如自旋場效應電晶體、自旋發光二極體等，也正在實驗室研究發展中。這些更新穎的自旋電子元件未來若能實用化，不僅對電子資訊產業有重大的影響，甚至也會在能源與生物醫學領域做出貢獻。
不是物理學家的你或許感受不到微小電子自旋作用的重要性，但未來「它」對你的生活的影響是不容忽視的。
【2007年諾貝爾物理獎簡介】
