里程碑发现——“巨磁电阻”效应

杨裕辉

瑞典皇家科学院于2007年10月9日宣布,2007年诺贝尔物理学奖的获得者分别是法国科学家阿尔贝•费尔和德国科学家彼得•格林贝格尔,这两名科学家因为发现了“巨磁电阻”效应而共同获得了2007年诺贝尔物理学奖.

“巨磁电阻”效应主要是指磁性材料在有磁场作用时发生变化的现象.目前“巨磁电阻”效应已经普遍应用在大容量的技术硬盘上了.可以这样说,我们现在能够用上价格便宜的大容量硬盘是一定要感谢这两位科学家的,他们获得诺贝尔物理学奖当之无愧.

费尔(如图1)于1938年3月7日出生于法国的卡尔卡松,1962年,在巴黎高等师范学院获数学和物理硕士学位.1970年,费尔从巴黎第十一大学获物理学博士学位,目前为巴黎第十一大学物理学教授.从1970年到1995年,他一直在巴黎第十一大学固体物理实验室工作,后任研究小组组长.1995年至今则担任国家科学研究中心-Thales集团联合物理小组科学主管.1988年,费尔发现“巨磁电阻”效应,同时他对自旋电子学作出过许多贡献.

格林贝格尔(如下页图2)于1939年生于皮尔森市(目前属于捷克共和国),德国国籍,获得德国达姆施塔特工业技术大学物理学博士学位.

费尔和格林贝格尔于1988年发现的“巨磁电阻”效应极大提高了电脑硬盘的数据存储量,因此他们将分享总金额为1 000万瑞士法郎的奖金,相当于150万美元.

格林贝格尔的知识产权保护意识比较强,两位科学家1988年发现“巨磁电阻”效应时意识到,这一发现可能产生巨大影响,格林贝格尔为此申请了专利.

“巨磁电阻”效应,简单地说就是一个微弱的磁场变化,可以在巨磁电阻系统中产生很大的电阻变化.当铁磁性材料和非磁性金属层交替组合成的材料在足够强的磁场中时,就会出现电阻突然巨幅下降的现象.特别值得注意的是,如果相邻材料中的磁化方向平行时,电阻会变得很低;而当磁化方向相反时,电阻则会变得很大.电阻值的这种变化,是由于不同自旋的电子在单层磁化材料中散射性质不同而造成的.

众所周知,硬盘能够存储包括音乐在内的信息,这些信息被存在微小的磁化区里,信息则通过记录磁场变化的读取器取出.硬盘越小,各个磁化区的面积也越小,磁化的程度也越弱.因此如果欲在一张硬盘中存储更多信息,就需要更为灵敏的读取器.基于“巨磁电阻”效应制成的读取器使得存储单字节数据所需的磁性材料尺寸大为减小,从而使得磁盘的存储能力得到大幅度的提高.基于“巨磁电阻”效应原理制成的读取器,可以将细小的磁场变化转换成不同的电阻,使读取器产生不同的电流,而电流是读取器的信号.第一个商业化生产的数据读取探头是由IBM公司于1997年投放市场的,到目前为止,“巨磁电阻”技术已经成为全世界几乎所有电脑､数码相机､MP3播放器的标准技术.

具有“巨磁电阻”效应的材料为生产商业化的大容量信息存储器铺平了道路,同时它们也为进一步探索新物理——比如隧穿磁阻效应､自旋电子学以及新的传感器技术——奠定了基础.现在,“巨磁电阻”效应已经是一种非常成熟的旧技术了,如何将隧穿磁阻效应开发已成为未来的新技术宠儿.

1994年,IBM公司研制成“巨磁电阻”效应的读出磁头,将磁盘记录密度一下子提高了17倍,从而在与光盘竞争中,磁盘重新处于领先地位.硬盘的容量从4 G提升到了当今的600 G或更高.1997年基于“巨磁电阻”效应的读出磁头研制成功,很快成为标准技术.即使在今天,绝大多数读出技术仍然是“巨磁电阻”的进一步发展.

由于“巨磁电阻”效应易使器件小型化､廉价化,除读出磁头外同样可应用于测量位移､角度等传感器中,可广泛地应用于数控机床､汽车测速仪､非接触开关和旋转编码器中,与光电等传感器相比,它具有功耗小､可靠性高､体积小､能工作于恶劣环境中等优点.

此外,利用“巨磁电阻”效应在不同的磁化状态具有不同电阻值的特点,可以制成随机存储器,由于其具有可在无电源的情况下继续保留信息的优点,已经成为计算机､手机､数码相机､MP3等电器必备的存储元件.

我国科学工作者和相关企业在过去十几年里也持续开展了有关新型磁电阻材料和器件及其物理研究,并取得了显著的科研成果.国际上至今发现具有“巨磁电阻”效应的20多种金属纳米多层膜中,有三种是我国学者发现的,部分研究结果还被费尔收录在其后续发表的综述论文中.

我们相信,随着国家科技不断发展,以及有关部门科研经费投入强度的不断提高,对新型磁电阻材料和器件及其物理的研究和应用,必将对我国高科技信息技术和社会经济发展产生重要的推动作用.