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诺贝尔物理奖介绍2007:巨磁阻和自旋电子学 2010-12-03 04:41:26
2007年诺贝尔物理奖授予法国的费尔(Albert Fert)和德国的格林贝格尔( Peter Grunberg),表彰他们发现巨磁阻现象。这个在1988年和1989年发表的发现,是科学和技术结合的完美范例:巨磁阻在发现后不到十年,就应用到商业产品中,带来硬盘性能的革命。巨磁阻的发现本身,也依赖于纳米技术的进展。而且巨磁阻技术在商业上的成功吸引了更多科研和开发,开创了自旋电子学(spintronics)这一具有巨大科学意义和应用前景的新领域。

磁阻现象是指材料的电阻在磁场存在时会变化。磁阻现象早在1850年代就被发现了。而巨磁阻现象是基于完全不同的原理,而且电阻变化程度大得多。它只在人工制造的纳米材料中才能显示。磁阻现象是感应磁场的工具之一,在1991就被用来制作硬盘的读取磁头。1997年开始,巨磁阻现象也被用在读取磁头中,使得硬盘的储存密度大大提高。

演示巨磁阻现象的基本器件是两层或多层铁磁体,由非磁性材料分开。每一层的厚度都在纳米数量级。巨磁阻是基于两个基本的物理过程。

首先,在被极化的铁磁材料中,不同自旋方向的电子(相对于材料本身极化方向)表现的电阻是不同的。这主要是因为电子能态密度的分布与自旋有关。当这些电子穿过一个非磁材料薄层而进入另一层铁磁材料时,它们能保持自己的自旋方向。这样,如果这两层铁磁材料极化方向相同,那么有一种自旋的电子在两层都经历低电阻,就会显示总体低电阻(中间的非磁材料因为很薄,对电阻影响很小)。而如果两层铁磁材料极化方向相反,那么每种自旋的电子都会经历高电阻,总体电阻也就高。这个现象费尔在1970年代就发现了。但是如何控制两层材料的相对极化方向?当时没有好的方法。

第二个物理过程是格林贝格尔在1986年报道的。被非磁材料分割的两层磁性材料之间存在着耦合。这种耦合是由渗入非磁材料的“自旋波”造成的。由于是“波”, 就有某种周期性。也就是说,当间隔的厚度变化时,这两层磁性材料的极化可以在相同和相反之间变化。如果选择合适的厚度使得两者极化相反,就得到高电阻。但是有外磁场时,磁场会强迫两者取同样的极化,而电阻就变低。这就形成了巨磁阻现象。在格林贝格尔报道这个发现后,在1988和1989年,费尔和格林贝格尔分别制作出了能演示巨磁阻现象的夹层材料。

以上的叙述听起来简单,但其中涉及很多前沿的物理问题。特别是磁性和多体作用的结合,目前还没有完整的理论,必须借助实验和理论相辅才能了解。而且,巨磁阻现象的演示也依赖于纳米技术。不仅需要(在分子水平上)精确控制每层材料的厚度,而且材料间的界面必须光滑以减少电子散射。这些要求需要由八十年代才广泛使用的分子束外延(MBE)与光学监控自旋波的技术结合起来才能满足。所以,巨磁阻的发现是科学和技术的结晶。

基于半导体的电子学在过去半个世纪给人类社会带来了翻天覆地的变化。随着我们对自旋的了解深入,“自旋电子学”应运而生。利用电子自旋的变化来处理信息,开辟了电子学的新天地。自旋的响应速度快,能耗低,可以保持和加速目前电子器件小型化,高速化的势头,也可以制造全新功能的器件。

但是目前,自旋电子学还在起步阶段。它所需的基础技术:自旋极化的电子群(简称自旋电子)的产生,控制和探测,都还在研究阶段。虽然已经取得很大进展,但离实际应用还很远。但是,目前除了巨磁阻磁头外,也已经有了一些很有应用希望的技术。

比较成熟的一个是磁内存(MRAM)。它的基本结构是两层铁磁体,中间隔一层非磁体。一层铁磁体的极化方向是固定的。而另一层则随储存的数位(0或1)而变化(与固定层相同或相反)。这种器件的读取是利用以上介绍的巨磁阻效应,即垂直通过这些界面的电阻在同向极化时小而反向极化时大。而最新的存写技术,则是利用“自旋矩转移”(spin torque transfer)的原理。当自旋电子进入铁磁材料时,它与当地的磁矩作用而改变铁磁材料的极化方向。这种磁内存已经商业化。它和目前广泛使用的闪存(flash memory)一样,在断电后仍能保存数据。但它的速度,功耗和寿命均远远优于闪存。有人预期,它还有望取代目前的动态内存(DRAM),而大大减少设备的功耗。

以上提到的自旋距转移会造成“负电阻”的非线性现象,即随着电流加大,两端的电压反而降低。这个特性可以用作微波震荡器。这种纳米尺度的震荡器可以由外磁场或偏置电流来控制频率,也有很大的应用前景。

另一个诱人的潜在应用是量子计算机。量子计算机的基本组成部分是“量子位”(qbit)。每个量子位以其量子态来代表一个单元的信息。它们相互作用来完成计算。自旋态因为其相对稳定性,是量子位的很好候选者。当然量子计算机本身还在非常初级的阶段,自旋量子位也还只是一个研究课题。

巨磁阻的发现迄今不到二十年,而自旋电子学已经得到了广泛的重视。展望未来,自旋电子学有可能与半导体,激光一样成为物理学给予人类文明的又一大贡献。

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