未來電腦一秒開機的黑科技就靠這個了!巨磁阻效應與電子自旋性是怎麼回事?

  • 文/朱嘉棟、李湘、江丞澤 │ 臺灣大學物理學系學生

如果你使用手機、平板、或是電腦閱讀這篇文章,那你正在享受 2007 年諾貝爾物理獎研究成果而來的甜美果實。

巨磁阻是什麼?先從磁阻談起

2007 年的諾貝爾物理獎頒予了法國的費爾與德國的葛林柏格,為了他們發現「巨磁阻效應」(giant magnetoresistance, GMR) 及其相關研究。

在巨磁阻的相關研究發表之前,科學家已知外加磁場會小幅影響材料的電阻率,也就是一般所謂的磁阻效應:「外來磁場所引起的電阻變化」。而「巨磁阻」顧名思義,即是在特定的材料下,此一電阻變化的現象更加顯著。

要解釋磁阻效應這樣的情況,先讓我們縮小到微觀尺度進行觀察:一塊施有外加磁場的導體,在通入電流下,導體內部漂移的電子會因勞倫茲力 註1改變其運動行為。

電流改變的狀況與磁場和電流間的角度有關:當電流方向與磁場平行時,電子漂移速度會較慢,即電阻增大;反之,當電流方向與磁場垂直時,漂移速度較快,即電阻減小。一般來說,電阻率在這種模式下的增減幅度約為 5%

時間到了 1988 年,艾伯特.費爾與皮特.葛林柏格博士在各自的研究中發現了一種可以讓磁性材料產生非常大磁電阻變化的方法。他們發現,把具有鐵磁性註2的鐵沒有磁性的鉻重複堆疊,組成「鐵鉻多層膜結構」,這個多層結構在外加磁場下,每一層鐵的磁矩方向會發生變化,而電流中含有兩種不同的電子自旋方向,分別感受到不同大小的電阻,因而導致非常大的磁阻效應,其電阻變化幅度高達 50%,這也就是我們所知的巨磁阻效應

巨磁阻開創的全新領域:自旋電子學!

巨磁阻效應的發現具有重大意義,除了強大的應用性,它還開創了一個全新領域:自旋電子學 (spintronics)。

簡單來說,電子具有質量、電荷、自旋等等物理量,而人們可以利用這些物理量開發出各式各樣的電子元件。例如科學家就是利用電子帶電荷的特性,開發出了電晶體、二極體、積體電路等等,大幅增加了人類生活的便利性。

LED 就是發光二極體喔!圖/DaKub@Pixabay

而現在科學家們,在巨磁阻效應的發現與成功展示後,得以藉由電子的自旋特性開發出新一批的電子元件。

電子自旋性到底是什麼?跟巨磁阻有什麼關係?

電子的自旋具有兩種方向:上與下。一般來說,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,我們稱這個特性為「自旋不可分辨性」。

但當電子通過具有鐵磁性的材料時,如果材料內部具有自發性磁矩(編按:即材料已經具備了磁性),不同自旋方向的電子與材料內部磁矩會產生交互作用,就會有不同的表現,而我們可以利用這個特性將自旋不同方向的電子區分開來。

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:在跨年夜時順著人流行走,與逆著人流行走,速度將有顯著的差異。對應到磁性材料中,逆向人流將產生更多的擦撞(散射),進而使整體的輸運速度降低(高電阻)。

若把這個原理套用到 1988 年費爾與葛林柏格博士所提出的鐵鉻多層膜結構時,就可以解釋巨磁阻效應是怎麼發生的: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」。

電流雙通道模型。FM(藍色)表示磁性材料,NM(橘色)表示非磁性材料,磁性材料中的箭頭表示磁化方向;Spin的箭頭表示通過電子的自旋方向;R(綠色)表示電阻值,綠色較小表示電阻值小,綠色較大表示電阻值大。圖片改作自 wiki commons Guillom。 CC BY-SA 3.0, 連結

如上圖所示,我們將一束電流拆成自旋向上與向下的電子,他們在通過磁化方向與自身相同的鐵性層時將體驗到小電阻 (r),反之通過相反磁化方向的磁性層時將體驗到大電阻 (R)。從巨觀的角度這裡的電阻有兩個並聯,而圖右的 Rr – rR 並聯相較於圖左的 rr – RR 並聯大得多,也就是右圖的磁化方向交叉出現,就會出現巨磁阻效應。

而時隔 30 年,美國華盛頓大學與香港的研究團隊發現了一種新穎的複合性材料,使巨磁阻效應能被更顯著放大。

他們改良 1988 年費爾等人的鐵鉻多層膜結構,藉由先進的奈米技術在兩層石墨烯中間插入一至多層的三碘化鉻薄膜,形成另一種多層膜材料。而由於 CrI3 分子內含較「鐵鉻多層膜結構」中的鉻層更大的磁矩,因此更容易操縱電子在其中的移動速率。

新研究中將兩層石墨烯中間插入三碘化鉻薄膜,形成電阻變化率更大的多層膜材料。圖/Song et al, 2018

此一複合系統只需施加微量的磁場改變其中 CrI3 的磁化方向,便可出現出高達 19000% 的電阻變化率,與最初費爾等人的 50% 相比,提高了近 400 倍。

而此一大躍進,不僅使物理界為之振奮,也為科技界注入一劑強心針。

巨磁阻:我們生活中的科技應用

事實上,日常生活中所見的磁碟即是受惠於巨磁阻效應。

我們日常生活使用的磁碟儲存資料的方式,是所謂的「磁記錄」。即是利用磁場感應的方式,探測或改變部分鐵磁性材料區域的磁矩方向,以達成記錄目的。

磁性材料中磁矩的分布通常是一區一區的,稱為「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為 1 或 0 的數位訊號。因此磁域密度大小,與讀寫入磁域方向的方法,將是決定磁儲存技術品質的關鍵。

The inside of a computer hard drive

我們日常生活使用的磁碟儲存資料的方式,即是所謂的「磁記錄」。圖片來源

巨磁阻效應最大的應用在於製作硬碟機的讀取頭。當讀取頭經過不同磁矩方向的磁區時,其內多層薄膜的磁性層會與磁區發生交互作用,進而影響讀取頭內多層膜中的磁性層,呈現平行或反平行狀態,因而使得整個薄膜系統的電阻產生極大變化、影響通過電流的大小,由此讀取待測磁區的相關資訊。

巨磁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;相較於原本依靠磁通量變化使讀取頭內線圈產生感應電流來判讀的方式,更能減少因電流雜訊所造成的誤判。除了更加準確,同時也更薄更省電。薄膜奈米級的厚度,以及讀取的精準度,大幅縮小了硬碟的體積,使新一代硬碟的容量得以大幅增加。

巨磁阻薄膜奈米級的厚度使新一代硬碟的容量大幅增加。

有了 MRAM,未來電腦手機開機只需一秒?

除了硬碟讀取頭的應用之外,巨磁阻效應在記憶體的進步也占有一席之地。

目前常用的記憶體 (RAM) 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 耗電量大且資料處理速度慢,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。

但若能應用巨磁電阻效應開發出磁阻式隨機存取記憶體 (MRAM),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。前面提及研究中,所發表的新穎材料亦讓人們看到 MRAM 愈趨耀眼的前途。

如新材料能成功進入應用階段,將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。如台積電近年來即開始研發整合自家低漏電的電晶體與 MRAM,打造出利於物聯網的硬體環境。

未來技術成熟時,若能以 MRAM 成功取代目前電腦手機上的記憶體,不僅將大幅降低功耗,開機時間也將縮短至一秒以內,更多應用也會隨之而生。

未來技術成熟時,MRAM 甚至能開機時間縮短至一秒以內。圖/Pixabay@Pexels

總而言之,巨磁阻效應的重要性,會在未來的科技產品中慢慢浮現,而此次華盛頓大學與香港團隊對於巨磁阻薄膜的突破性發現,也在相關的科學與科技領域中,立下一新的里程碑。

致謝

本文源自於臺灣大學物理學系電子學的課程報告,感謝朱士維教授與程暐瀅助教的協助。

註解:

  1. 勞侖茲力 (Lorentz force):運動於電磁場的帶電粒子所感受到的作用力。
  2. 鐵磁性 (Ferromagnetism):又稱作強磁性,指的是材料在磁化後,仍能維持磁性的特性。常見如鐵在磁場中放置一段時間後,即使磁場消失仍能維持一定之磁性。

參考資料

  1. Giant tunneling magnetoresistance in spin-filter van der Waals heterostructures
    Science 360 (6394), 1214-1218. DOI: 10.1126/science.aar4851 May 3, 2018
  2. 新一代記憶體發威 MRAM 開啟下一波儲存浪潮
  3. Giant Magnetoresistance: Basic Concepts, Microstructure, Magnetic Interactions and Applications. MDPI Sensors 2016, 16, 904 17 June 2016

(編按:增補作者與致謝資訊。2020/7/20)

 


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活躍星系核

活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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