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打开一个全新的技术世界

来源:未知 编辑:admin 时间:2019-05-17

  一次好奇心导致的发现,带来了一场计算机领域的革命,并打开了一个崭新的技术世界。

  1988年,两位欧洲实验物理学家同时独立发现,将一个由磁性和非磁性导体相间组成的多层薄膜材料放入外来磁场中,材料电阻极大增加,也就是说,磁场的微弱变化会导致电阻的极大变化,这种现象被命名为巨磁电阻效应。

  1994年,IBM物理学家斯图尔特帕金根据这种原理研制出更为灵敏的读出磁头,磁盘记录密度提高17倍;1997年,第一个基于巨磁电阻效应的商业化设备问世,并很快成为行业技术标准。今天,几乎最新的磁头读出技术都是基于巨磁电阻原理研制的。

  10月9日,瑞典皇家学会诺贝尔奖委员会宣布,将2007年诺贝尔物理学奖授予法国物理学家费尔和德国物理学家格林贝格尔,表彰他们在发现巨磁电阻方面作出的贡献。

  诺贝尔奖委员会在公告中说:“这是一次好奇心导致的发现,但其随后的应用却是革命性的,因为它使计算机硬盘的容量从几十兆、几百兆,一跃而提高几百倍,达到几十G乃至上百G(1G等于1024兆);巨磁效应的使用也被看作纳米技术的第一次重要应用。”

  然而,尽管没有获得今年的诺贝尔物理学奖,瑞典皇家学会和业界均公开承认并赞赏帕金在这场革命中的贡献。

  这是物理学上一个新发现带来的一场“信息技术革命”,并打开了一个全新的技术世界。

  从电脑、音乐播放器到强大的google搜索引擎,所有这些都有一个核心设备储存信息的硬盘。硬盘是一种磁性材料,信息储存在它的每个磁化区域,并以二进制的0或1代表磁场方向;基于磁场变化会影响电阻变化的原理,读出头将磁场信号转化为电流变化,读出磁盘上的信息。

  磁场变化影响电阻变化的现象被称为磁致电阻,这是在150年前发现的。1857年,英国科学家威廉姆汤姆森测量了铁和镍在磁场中的电阻变化,他写道:“我发现将铁置于磁场中时,如果铁中电流方向与磁化线方向一致,铁的电阻会减小;如果电流方向与磁化线垂直,那么电阻就会增加到最大。”电阻随磁场方向而发生变化的现象也被称为各向异性磁阻。

  由于装设大西洋海底电缆有功,英国政府于1866年封汤姆森为爵士,1892年封他为男爵,称为开尔文男爵,此后,汤姆森就改名为开尔文。

  今天,物理学家们已经知道,磁致电阻的根本原因是电子的自旋,电子会沿两个相反方向自我旋转,他们将电子的这种量子力学特征称为自旋。在磁性材料中,绝大多电子沿同一方向旋转,只有少数电子沿反方向旋转,这就是磁性产生的原因。将磁性材料置入外来磁场中,当电子的自旋方向与磁力线一致时,磁力线会加速电子的运动,电阻因此变小,当电子的自旋方向与磁力线方向垂直时,电子运动受到阻碍,电阻因此增加。但是,这种磁致电阻效应非常小,通常电阻改变只在1%到2%之间。

  1956年,根据磁致电阻原理,IBM科学家雷诺德约翰逊发明了世界上第一个计算机磁盘储存系统。这是一个庞然大物,它由50片直径为24英寸的涂着磁粉的圆盘、马达、磁头等构成,能存储5兆的数据。磁致电阻效应因此成为一个非常重要的技术,它能让读出头读出磁盘或磁场中的信息。

  在随后几十年中,随着信息量的激增,人们希望磁盘中能储存更多信息,或将磁盘变得更小,但因为磁致电阻效应只有极小的提高,通常只在1%到2%之间,磁阻材料的研究进展极为缓慢。在20世纪80年代末期,IBM研发的磁阻磁头实现了硬盘内容的大幅上升,其原理依然是磁致电阻原理,这时,科学家们仍然认为磁头的性能不可能有显著提高。

  1988年,法国和德国的两个研究小组几乎同时独立发现了一种巨大的磁致电阻现象,给学术界和信息产业界一个极大的惊喜。由法国物理学家费尔领导的一个研究小组,在纳米尺度内,用厚度只几个原子大小的磁性材料铁膜片和非磁性材料铬膜片做成一个纳米尺度的多层膜,发现磁致电阻效应可以高达60%;与此同时,德国尤利希研究中心的实验物理学家格林贝格尔领导的研究小组,将铬膜片置入两个铁膜片之间,组装成一个纳米尺度的3层膜,发现磁致电阻效应提高到6%。

  费尔和格林贝格尔测量到了磁致电阻的极大提高,他们立即意识到这是一个全新的物理现象。费尔在他的第一篇论文中将这种效应称为“巨磁电阻”,格林贝格尔同时明白了这种效应的技术应用,他立即为自己的发现申请了专利。从这一刻开始,薄膜磁学领域的研究方向全部转为磁电子学。

  实际上,早在20世纪70年代,科学家们就预言了巨磁电阻背后的量子力学概念。物质在纳米尺度的范围内会表现出量子力学的特征。在由磁性材料和非磁性材料相间组成的纳米多层膜中,特别是两种材料接触的表面,电子沿相反方向旋转,它们在外来磁场的作用下因急速转换方向而互相阻碍,导致所有的电子都出现散射现象,这样就会大大增加电流穿越“三明治”层的阻力,出现巨磁致电阻现象。

  因此,制作出纳米尺度的“三明治”膜层是实现巨磁效应的前提条件,但当时的条件还不足以将这个概念变成现实,在纳米尺度范围内操纵原子的技术在20世纪80年代初才起步。费尔说:“因此,我将这个想法放到冰箱里了,直至80年代初,这种材料的制作成为可能后,我才开始实施。”

  费尔和格林贝格尔的发现给科学界带来一个惊喜,但物理学家们普遍认为巨磁电阻效应很难有实际应用,因为这种纳米“三明治”薄层是在低温、真空、高磁场的实验环境中利用实验室培育的材料制作出来的,不可能实现大规模生产。

  帕金和他在IBM Almaden研究中心的同事很快意识到巨磁电阻的重要性和它在更灵敏磁头中的应用。帕金首先想重复欧洲物理学家的结果,但他没有采纳他们制造多层膜的复杂、昂贵而缓慢的方法,他和同事尝试了硬盘生产中常用的一种更快但精度不高的生产方法阴极真空喷镀。让他们惊讶不已又非常高兴的是,这种方法能行!

  由于帕金和同事在他们制作的第一个多层膜中看见了巨磁电阻效应,表明他们可利用多种层膜的组合来应用这种效应。根据不同的材料和薄膜的体积,帕金的研究小组尝试了3万多种多层膜组合,最终找到了可进行大规模生产的方法,第一个基于巨磁电阻效应的商业化设备在1997年诞生。

  巨磁阻磁头的问世大大激发了工程师在娱乐、通讯及信息产品上的创造力,MP3音乐播放器、掌上电脑等新产品闪亮登场,极大地丰富了人们的生活。从1997年开始,每年超过10亿个使用这种技术的硬盘和MP3涌入市场,给IBM带来了上百亿美元的收入。

  因为在巨磁电阻效应方面的先驱性工作,1997年,欧洲物理学会将惠普欧洲物理学奖颁发给帕金、费尔和格林贝格尔。

  2006年和2007年,费尔和格林贝格尔共同获得沃尔夫物理奖和日本奖。

  帕金没能与费尔和格林贝格尔分享今年的诺贝尔物理学奖,让美国弗吉尼亚大学的物理学家斯图尔特沃尔夫非常吃惊。美国《科学》杂志的文章也认为,帕金在巨磁电阻交流的商业化应用中做了相当多的工作。但英国剑桥大学的托尼布兰德则认为,尽管帕金在这项原理的商业应用中发挥了关键作用,但诺贝尔奖委员会明确区分了发现和技术培育,他说:“我认为该领域里的人会普遍认为这是公正的。”

  巨磁电阻效应不仅意味硬盘储存能力的突破,它也象征着一个新型电子学科学电子自旋学的诞生,它不仅利用了电子传统的电荷特性,还利用了电子旋转的量子特性,而纳米技术的进展使电子自旋的应用成为可能。

  费尔说:“信息的储存不只是巨磁电阻效应的唯一应用,新发现打开了电子自旋世界的大门。”

  诺贝尔奖委员会的文件指出,在巨磁电阻的浪潮中,一种以绝缘材料替代磁性材料间的非磁性材料的“三明治”多层膜系统已经建立。虽然电子不能通过绝缘薄膜,但如果这层膜足够薄,那么,电子就能偷偷地越过膜间的距离,这种量子效应被称为隧道磁阻效应。

  相对于巨磁电阻效应,隧道磁阻效应在极弱的磁场中能产生更大的电阻,新一代阅读磁头的研制已开始利用这种技术。

  目前,利用隧道磁阻原理,帕金正在IBM研制磁性随机存储(MRAM)。MRAM的结构与硬盘类似,但靠电子自旋表示数据,靠隧道效应磁阻磁头读写,速度和动态随机存取存储器(DRAM)一样快,却不会像DRAM一样因断电而丢失数据。

  隧道磁阻原理将会再次革命性地改变信息储藏方式。诺贝尔奖委员会的公告指出,磁性随机存储的储藏速度比硬盘快,而且不需要电力,这意味着磁性随机存储有可能发展成一种通用储存器,取代传统的随机存取存储器和硬盘,应用到置入式微型计算机系统,从厨房的烤箱到汽车,无处不在。

  “巨磁电阻效应的发现打开了一扇通向技术新世界的大门,在这里,将同时利用电子的电荷自旋特性。新兴的纳米技术是发现巨磁电阻的前提条件,而自旋电子学正反过来成为促进纳米技术迅速发展的动力。这为研究领域树立了一个异常清晰的例子:基础研究和新技术是如果交互作用和互相支持的。”诺贝尔奖委员会的公告如是说。

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