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- 採訪編輯｜郭雅欣；美術編輯｜林洵安
電子自旋有多神奇？
電子，是世界上最神祕的粒子之一。它不只帶有負電荷，還會「自旋」。這個奇異的特性，是整個物質世界的根基，也是當代磁學的關鍵字，促成磁性記憶體等重大科技突破。研之有物專訪中研院院士、約翰霍普金斯大學物理系錢嘉陵講座教授，娓娓道來電子自旋如何開啟「現代磁學的黃金時代」。
中研院錢嘉陵院士，任教於美國約翰霍普金斯大學，並為 Jacob L. Hain 講座教授，專注於磁性、超導體、自旋電子學和納米結構材料的研究。錢教授不但是美國物理學會和美國科學促進學會的會士，榮獲美國物理學會的大衛阿德勒獎 （David Adler Award），更得到國際物理與應用物理聯盟（IUPAP）磁學獎與奈爾獎章（Néel Medal）。
攝影│林洵安
電子自旋 = 旋轉的電子？
首先，「自旋 1/2 」的電子是怎麼回事？難道電子會轉，而且永遠只轉半圈？
電子自旋，指的是電子帶有的一種量子性質，簡單說，科學家觀察到了電子具有自旋角動量，而帶電的粒子只要旋轉，就會產生磁場。換句話說，每個電子不只是帶著負電荷的一個小粒子，還是一個「超級迷你磁鐵」（磁矩）。
不過，在一般巨觀的世界裡，物體具有角動量代表正在旋轉，但在量子世界裡，電子雖有角動量，卻不能理解成電子真的在轉。錢嘉陵解釋：「電子是個體積無限小的粒子，沒有體積，所以不可能轉動，自旋完全是量子力學的概念。」沒有體積，卻有角動量，量子世界就是這麼不可思議！
量子世界的另一個不思議，在於所有東西都「量子化」，電子自旋也一樣──電子自旋角動量值在磁場中只能是 1/2 或 -1/2 ，沒有其他可能的值，這就是「電子自旋 1/2 」的由來。許多其他的粒子也有自旋角動量值，但統統只能是 1/2 的倍數，而且相鄰一定差 1 ，例如自旋 1 [1, 0, -1] 或是自旋 3/2 [3/2, 1/2, -1/2, -3/2] 。
電子雖有角動量，卻不能理解成電子真的在轉。因為電子是個體積無限小的粒子，沒有體積，所以不可能轉動，自旋完全是量子力學的概念。而且電子自旋角動量值在磁場中只能是 1/2 或 -1/2 ，沒有其他可能的值，這就是「電子自旋 1/2 」的由來。
圖說設計│黃曉君、林洵安
如此違反直覺的電子自旋，究竟是怎麼被發現的呢？
純屬意外！發現電子自旋 1/2
電子自旋的發現，來自一場「想不到可以成功」的實驗。 1913 年，波耳（ Niels Bohr ）提出角動量量子化的概念，也就是在量子世界，角動量必定是「普朗克常數除以 2π 」（符號為 ℏ ）的整數倍，例如某種粒子具有的角動量是 ℏ 的 1 倍，代表在觀察這種粒子時，角動量只可以是 ℏ 的 -1 、 0 、 +1 倍，不能是 ℏ 的 0.1 倍、 0.2 倍等等介於中間的值。
這個概念對當時的人來說太前衛，違反直覺，反對者包括接下來上場的兩位主角──斯特恩（ Otto Stern ）與格拉赫（ Walther Gerlach )。
斯特恩與格拉赫於 1922 年設計了一個實驗，本意為「反駁」波耳的說法。他們將「銀」蒸發，產生銀原子束，穿過一個不均勻的磁場，投射到屏幕上。在通過不均勻磁場時，帶有角動量的銀原子會受到偏折。如果角動量不是量子化的 (具有各種方向的角動量)，偏折的角度將有無限可能，屏幕上應是一片連續分布的銀原子。但實驗結果出人意表：銀原子偏折的角度只有兩個。換言之，角動量真的是量子化的！如以下影片所示：
在做實驗之前，斯特恩信心滿滿的說：「波耳這個沒道理的模型如果是對的，我退出物理圈！」格拉赫也說：「沒有實驗這麼蠢的！」（不過他們還是做了。）但最後他們不但被狠狠打臉，還寄了明信片給波耳告解：「波耳，你終究是對的。」
不過，這兩人的臉可沒被白打，這個實驗正式拉開現代電磁學的序幕！「當時他們看到的現象，其實就是電子的自旋 1/2 ！因電子的自旋角動量只有兩種可能： -1/2 及 +1/2 ，所以只會產生兩條偏折路線。」錢嘉陵笑著說：「能夠看見這個現象，真的很走運！」
這兩位科學家有多走運？兩人使用的粒子束雖然不是電子，卻正好是銀原子，這是少數體積夠大足以觀測、整體效應卻又等同一個電子的粒子。「如果他們換一種原子來做，就不會看到自旋了！」錢嘉陵提出另一幸運條件：「這個實驗的銀原子這麼少，怎麼看得見？原來當時的科學家會在實驗室抽雪茄菸，是煙，讓銀原子現形。」
儘管自旋在 1922 年就發現了，但礙於自旋是奈米尺度的現象，需要高科技的觀測技術才能觀察，因此又過了六十幾年，相關成果才開始嶄露頭角，包括發現層間耦合（ interlayer coupling ）以及巨磁阻效應（ giant magnetoresistance ）等等。
「自 1986 年起，幾乎每一兩年，大家就找到一個關於自旋的新題目，現代磁學的黃金時代就此揭開序幕。」錢嘉陵回想。
若用一個詞來敘述「現代磁學」，那個詞就是「自旋」。
自旋電子引爆磁性記憶體革命
自旋電子學出現的年代，正是電腦蓬勃發展的年代。電腦裡負責長期儲存的硬碟，內部是塗滿了磁性物質的碟片，也就是每個記憶單元都像是一個小磁鐵一樣，以磁矩的方向來記錄 0 或 1 。因為磁矩的方向不會輕易消失，即使電腦關機、不通電了，也能儲存資料。
然而科技的快速發展，磁紀錄的密度愈來愈高。自 1957 年第一個硬碟發明以來， 50 年內硬碟的儲存密度增加了 10 億倍。這意味著同樣的體積裡多了 10 億倍以上的小磁鐵，或者說，每個小磁鐵的體積縮小了 10 億倍。在磁鐵密度不斷增高、體積不斷縮小的情況下，不論是製作硬碟或是讀寫資料，皆越來越困難。
硬碟包含磁碟片和磁頭，磁碟片負責紀錄資訊、磁頭負責讀寫資訊。每個磁碟片的存儲面都對應一個磁頭，磁碟片以每分鐘數千轉到上萬轉高速旋轉，這樣磁頭就能對磁碟片的指定位置進行讀寫。
圖片來源│Unsplash
圖說設計│黃曉君、林洵安
傳統的磁頭是讀寫合一的電磁感應式磁頭，不論讀寫都以電磁感應的方式進行。後來的硬碟設計將讀取和寫入分開，採用磁阻式磁頭—-通過電阻變化而不是電流變化來感應磁場信號，對於信號的變化更敏感、也更準確，而且讀取信號與磁軌寬度無關，磁軌可以做得很窄，大大增加磁碟的儲存密度。
資料來源│錢嘉陵
圖說重製│林洵安
幸好，我們有了自旋電子學！ 1986 年，科學家發現當兩層鐵磁性薄膜中間夾著特定金屬時，隨著特定金屬厚度改變，鐵磁薄膜的磁場方向會跟著改變，以反向、同向、反向、同向……交互循環，稱為「層間耦合」。錢嘉陵解釋：「這個現象很奇特，裡面學問很多，所以一時之間大家都在研究層間耦合，包括我。」
1988 年，法國科學家費爾特（ Albert Fert ）發現，若對薄膜磁場反向的層間耦合元件加上一個大磁場，將其中一片薄膜的磁場硬是翻轉過來，就可以讓這個元件的電阻降得很低，而且幅度高達 50% ，這就是「巨磁阻效應」。
為什麼會有巨磁阻效應？因為電子自旋有上、下兩個方向。如果今天電子通過的導體裡有上、下兩種方向的磁場，兩種自旋的電子都會受到干擾，這時電阻就會很大。但如果導體裡只有一種方向的磁場，其中一種自旋方向的電子就可順利通過，不受干擾，電阻就會變小。
巨磁阻效應解釋圖。如果今天電子通過的導體裡有上、下兩種方向的磁場，自旋方向為上下的電子都會受到干擾，這時電阻就會很大。如果導體裡只有一種方向的磁場，那麼其中一種自旋方向的電子就可以順利通過，電阻就會變得很小。
資料來源│錢嘉陵
圖說重製│林洵安
巨磁阻效應潛力無窮
巨磁阻效應為硬碟磁紀錄的設計帶來了全新可能。其中一個重要的例子，便是德國物理學家格林貝格（Peter Grünberg）利用巨磁阻效應研發了「自旋閥結構（spin valve structure）」，改變了硬碟讀取頭的運作模式。最早的硬碟讀取頭，是將纏繞有感應線圈磁性物質對準記錄的磁區，再根據感應線圈的磁通量變化所產生的感應電流，來得知該磁區記錄的是 0 或 1 。然而，磁區對感應線圈造成的磁場如果不夠大，感應電流不夠明顯，讀取就可能產生誤差。
自旋閥結構的好處就是只需要小小的磁場，就能產生明顯的電阻變化，不但使得讀取能精準正確，還能減少耗費的能量。
自旋閥主要結構包含：一個磁場方向已固定的磁層 A （pinned layer），一個避免層間耦合的中間層 B（spacer layer），一個磁場可隨外界磁場改變方向的磁層 C（free layer）。 當磁層 C 對準紀錄磁區時，磁層 C 的磁場方向便會隨著磁區而改變。如果磁層 C 產生的磁場方向與磁層 A 相同，整個結構的電阻就會很小；相反的，如果磁場方向與磁層 A 相反， 電阻就會很大。所以只要透過測量電阻，就能瞬間確認磁區的資訊。
圖說設計│黃曉君、林洵安
除此之外，科學家也利用巨磁阻效應，開發了「磁阻式隨機存取記憶體」（MRAM），和以往的各種記憶體相比，MRAM 可望擁有非易失性 （關機斷電也不會流失資訊）、讀寫耗費的能量都少（省電）、處理速度快，磁紀錄密度又高的特性。
下一步呢？包括如何用電流更快翻轉磁矩以完成讀寫，甚至以電子自旋流取代電流等等研究，對於未來的電腦科技，可望帶來世紀性的突破。更多精彩研究，快點開中研院知識饗宴「自旋電子學：現代磁學的黃金時代」，讓錢嘉陵院士帶你走進當代磁學最前沿：
延伸閱讀
- 錢嘉陵院士網頁
- 〈 2007 諾貝爾物理獎專題報導–巨磁阻效應之物理原理與應用〉，《成大研發快訊》第一卷第九期。
- 〈巨磁電阻的原理與應用〉，《科學發展》第426期。
本文轉載自中央研究院研之有物，原文為《電子自旋引爆下一代記憶體革命—錢嘉陵院士專訪》，泛科學為宣傳推廣執行單位
