電子自旋引爆下一代記憶體革命:專訪錢嘉陵院士

作者 | 發布日期 2020 年 06 月 27 日 12:00 | 分類 尖端科技 , 科技教育 , 記憶體 Telegram share ! follow us in feedly


電子,是世界最神祕的粒子之一,不只帶負電荷,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」。

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,指的是電子帶有的量子性質,簡單說,科學家觀察到電子具自旋角動量,而帶電粒子只要旋轉,就會產生磁場。換句話說,每個電子不只是帶著負電荷的小粒子,還是一個「超級迷你磁鐵」(磁矩)。

不過,在一般巨觀世界,物體具角動量代表正在旋轉,但在量子世界,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。許多其他粒子也有自旋角動量值,但統統只能是 1/2 的倍數,且相鄰一定差 1,例如自旋 1 [1, 0, -1] 或自旋 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。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。

如此違反直覺的電子自旋,究竟是怎麼發現的?

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,例如某種粒子有角動量是 ℏ 的 1 倍,代表觀察這種粒子時,角動量只能是 ℏ 的 -1、0、+1 倍,不能是 ℏ 的 0.1 倍、0.2 倍等介於中間的值。

這個概念對當時來說太前衛,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,投射到螢幕。通過不均勻磁場時,帶有角動量的銀原子會受偏折。如果角動量不是量子化(具各種方向的角動量),偏折的角度會有無限可能,螢幕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!如影片所示:

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!」(不過他們還是做了)最後他們不但被狠狠打臉,還寄明信片給波耳告解:「波耳,你終究是對的。」

不過兩人的臉沒被白打,這個實驗正式拉開了現代電磁學的序幕。「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,就是煙,讓銀原子現形。」

儘管自旋 1922 年就發現了,但礙於是奈米現象,需要高科技的觀測技術才能觀察,因此又過了 60 幾年,相關成果才開始嶄露頭角,包括發現層間耦合(interlayer coupling)及巨磁阻效應(giant magnetoresistance)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。

若用一個詞描述「現代磁學」,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。電腦負責長期儲存的硬碟,內部是塗滿磁性物質的碟片,也就是每個記憶單元像一顆小磁鐵,以磁矩方向記錄 0 或 1。因磁矩方向不會輕易消失,即使電腦關機不通電,也能儲存資料。

然而科技快速發展,磁記錄的密度愈來愈高。自 1957 年第一顆硬碟發明以來, 50 年內硬碟儲存密度增加了 10 億倍。這意味著同樣體積,多了 10 億倍以上小磁鐵,或說每顆小磁鐵的體積縮小了 10 億倍。磁鐵密度不斷增高、體積不斷縮小的情況下,不論製作硬碟或讀寫資料,都越來越困難。

▲ 硬碟包含磁碟片和磁頭,磁碟片負責記錄資訊、磁頭負責讀寫資訊。每個磁碟片的儲存面都對應一個磁頭,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。(Source:Unsplash,後製:黃曉君、林洵安)

▲ 傳統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進行。後來硬碟設計將讀取和寫入分開,採用磁阻式磁頭──透過電阻變化而不是電流變化感應磁場信號,對信號變化更敏感也更準確,且讀取信號與磁軌寬度無關,磁軌可做得很窄,大大增加磁碟的儲存密度。(Source:錢嘉陵)

幸好,我們有自旋電子學!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過來,就可讓這個元件的電阻降得很低,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有上、下兩種方向的磁場,兩種自旋電子都會受干擾,這時電阻就會很大。但如果導體只有一種方向磁場,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有上、下兩種方向磁場,自旋方向為上下的電子都會受到干擾,這時電阻就會很大。如果導體只有一種方向磁場,其中一種自旋方向的電子就可順利通過,電阻就會變得很小。(Source:錢嘉陵)

巨磁阻效應潛力無窮

巨磁阻效應為硬碟磁記錄設計帶來全新可能。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「自旋閥結構」(spin valve structure),改變硬碟讀取頭的運作模式。最早的硬碟讀取頭,是將纏有感應線圈磁性物質對準記錄磁區,再根據感應線圈的磁通量變化產生的感應電流,得知磁區記錄的是 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,不但使讀取能精準正確,還能減少耗費能量。

▲ 自旋閥主要結構包含:一個磁場方向固定的磁層 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 對準記錄磁區時,磁層 C 的磁場方向便會隨著磁區改變。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。

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,磁記錄密度又高的特性。

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研究,對未來的電腦科技可望帶來世紀性突破。更多精彩研究,可參考中研院知識饗宴影片「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線。

(作者:郭雅欣;本文由 研之有物 授權轉載)