認識“巨磁電阻”效應(yīng)

2007年諾貝爾物理學(xué)獎授予了法國物理學(xué)家阿爾貝·費爾和德國物理學(xué)家彼得·格林貝格爾，以表彰他們各自獨立發(fā)現(xiàn)了“巨磁電阻”效應(yīng)。近年來，根據(jù)這一效應(yīng)開發(fā)的小型大容量計算機硬盤已得到廣泛應(yīng)用，瑞典皇家科學(xué)院在評價這項成就時說：“今年的物理學(xué)獎授予用于讀取硬盤數(shù)據(jù)的技術(shù)，得益于這項技術(shù)，硬盤的體積迅速變得越來越小，而它的容量卻越來越大。”這項技術(shù)被認為是“前途廣闊的納米技術(shù)領(lǐng)域的首批實際應(yīng)用之一”。現(xiàn)在，就讓我們來認識這種神奇的效應(yīng)吧!

什么是“巨磁電阻”效應(yīng)

所謂“巨磁電阻”效應(yīng)，是指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時比無外磁場作用時存在巨大變化的現(xiàn)象。也就是說，非常弱小的磁性變化就能導(dǎo)致巨大電阻變化的特殊效應(yīng)。1988年兩位科學(xué)家首先在Fe/Cr多層膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng)，在國際上引起很大的反響。20世紀(jì)90年代，人們又在Fe/Cu，F(xiàn)e/A1，F(xiàn)e/Au，Co/Cu，Co/Ag和Co/Au等納米結(jié)構(gòu)的多層膜中觀察到了顯著的巨磁電阻效應(yīng)，由于巨磁阻多層膜在高密度讀出磁頭、磁存儲元件上有著廣泛的應(yīng)用前景，美國、日本和西歐都對發(fā)展巨磁電阻材料及其在高技術(shù)上的應(yīng)用投入了很大的力量。

“巨磁電阻”效應(yīng)與硬盤的關(guān)系

通常說的硬盤也被稱為磁盤，這是因為在硬盤中是利用磁介質(zhì)來存儲信息的。一般而言，在密封的硬盤內(nèi)腔中有若干個磁盤片，磁盤片的每一面都被以轉(zhuǎn)軸為軸心、以一定的磁密度為間隔劃分成多個磁道，每個磁道又進而被劃分為若干個扇區(qū)。磁盤片的每個磁盤面都相應(yīng)有一個數(shù)據(jù)讀出頭。簡單地說，當(dāng)數(shù)據(jù)讀出頭“掃描”過磁盤面的各個區(qū)域時，各個區(qū)域中記錄的不同磁信號就被轉(zhuǎn)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“譯碼”。伴隨著信息數(shù)字化的大潮，人們開始尋求不斷縮小硬盤體積同時又提高硬盤容量的技術(shù)。1988年，費爾和格林貝格爾各自獨立發(fā)現(xiàn)了“巨磁電阻”效應(yīng)，這一發(fā)現(xiàn)解決了制造大容量小硬盤最棘手的問題：當(dāng)硬盤體積不斷變小，容量卻不斷變大時，勢必要求磁盤上每一個被劃分出來的獨立區(qū)域越來越小，這些區(qū)域所記錄的磁信號也就越來越弱。借助“巨磁電阻”效應(yīng)，人們才得以制造出更加靈敏的數(shù)據(jù)讀出頭，使越來越弱的磁信號依然能夠被清晰讀出，并且轉(zhuǎn)換成清晰的電流變化。1998年，第一個基于“巨磁電阻”效應(yīng)的數(shù)據(jù)讀出頭問世之后，很快引發(fā)了硬盤的“大容量、小型化”革命。如今，筆記本電腦、音樂播放器等各類數(shù)碼電子產(chǎn)品中所裝備的硬盤，基本上都應(yīng)用了“巨磁電阻”效應(yīng)，這一技術(shù)已然成為新的標(biāo)準(zhǔn)。

“巨磁電阻”效應(yīng)的發(fā)展前景

去年，日立公司設(shè)在英國的研究所——日立劍橋?qū)嶒炇液蜌W洲的幾所大學(xué)，用實驗證實了可通過磁力使電阻改變100倍以上的巨磁電阻效應(yīng)——“庫侖阻塞各向異性巨磁電阻效應(yīng)”：即用膜厚為5nm的強磁性材料Ga-Mn-As薄膜制作單一電子晶體管，確認了超過100倍的電阻變化。具體來講，就是施加0.1 T的磁場時，電阻由約1 MΩ變?yōu)榧s100MΩ。該公司評價說：“這項成果雖然是在-269℃下取得的試驗成果，但模擬結(jié)果顯示在常溫下也有可能保持這一效應(yīng)，它開辟了通向表面記錄密度超過1Tbit/平方英寸的硬盤磁頭的道路。”