巨磁电阻的发现和应用

65438-0988年,法国巴黎大学肯特教授的研究团队首次发现了Fe/Cr多层膜中的巨磁电阻效应,在国际上引起巨大反响。20世纪90年代,人们在Fe/Cu、Fe/Al、Fe/Au、Co/Cu、Co/Ag和Co/Au等纳米结构的多层膜中观察到了显著的巨磁电阻效应。由于巨磁电阻多层膜在高密度读取头和磁存储器件中的广泛应用前景,美国、日本和西欧在巨磁电阻材料的开发及其在高技术中的应用上投入了巨大的努力。

1994年,IBM开发了具有巨磁电阻效应的读取头,使磁盘的记录密度突然提高了17倍,达到5Gbit/in2,最近又达到了11Gbit/in2,从而使磁盘在与光盘的竞争中再次处于领先地位。由于巨磁电阻效应,器件易于小型化,价格低廉。除读取磁头外,还可用于测量位移和角度的传感器,可广泛应用于数控机床、汽车测速、非接触开关和旋转编码器等。与光电传感器相比,它具有功耗低、可靠性高、体积小、能在恶劣的工作条件下工作等优点。利用巨磁电阻效应在不同磁化状态下具有不同电阻值的特性,可以制成随机存取存储器(MRAM),其优点是不需要电源就可以继续保留信息。

巨磁电阻效应在高科技领域的另一个重要方面是弱磁场探测器。随着纳米电子学的迅速发展,电子元器件的小型化和高度集成化要求测量系统小型化。在21世纪,超导量子相干器件、超微霍尔探测器和超微磁场探测器将成为纳米电子学的主角。其中,基于巨磁电阻效应的超微磁场传感器的设计要求其能够检测10-2T到10-6T的磁通密度。在过去不可能测量如此低的磁通密度,特别是在超微系统中测量如此弱的磁通密度非常困难。纳米结构的巨磁阻器件可以完成这项任务。

英国皇家瑞典学院9日宣布,2007年诺贝尔物理学奖将授予法国科学家艾伯特·费尔和德国科学家彼得·格林伯格,以表彰他们对“巨磁阻”效应的发现。他们将分享10万瑞典克朗的奖金(1美元约合7瑞典克朗)。皇家科学瑞典学院说:“今年的物理学奖授予了读取硬盘数据的技术。得益于这项技术,硬盘近年来迅速变得越来越小。”

通常,硬盘也被称为磁盘,因为磁介质用于在硬盘中存储信息。一般来说,密封的硬盘腔内有若干个磁盘,每个磁盘的每一面以一定的磁密度为轴分成多个磁道,每个磁道又进一步分成若干个扇区。磁盘片的每个盘面都有相应的数据读取头。

简单来说,当数据读出头“扫描”磁盘表面所有区域时,所有区域记录的不同磁信号被转换成电信号,电信号的变化进一步表示为“0”和“1”,成为所有信息的原始“解码”。

随着信息数字化的浪潮,人们开始寻求不断缩小硬盘体积、增加容量的技术。1988年,Phil和Gruenberger独立发现了“巨磁电阻”效应,即一个非常微弱的磁变化可以导致电阻发生巨大变化的特殊效应。

这一发现解决了制造大容量小型硬盘的最大难题:当硬盘的体积越来越大时,必然要求磁盘上每个划分的独立区域越来越小,这些区域记录的磁信号越来越弱。借助“巨磁电阻”效应,人们可以制造出更灵敏的数据读取头,使越来越弱的磁信号仍能被清晰读取,并转换成清晰的电流变化。

1997年,首个基于“巨磁阻”效应的数据读出头问世,迅速引发了硬盘“大容量、小型化”的革命。现在笔记本电脑、音乐播放器等各种数码电子产品中配备的硬盘,基本都应用了“巨磁阻”效应,这项技术已经成为新的标准。

据《皇家瑞典学院科学公报》报道,20世纪70年代发明的另一项技术,即制造不同材料超薄层的技术,使人们制造厚度只有几个原子的薄层结构成为可能。由于数据读出头是由多层不同材料的薄膜组成的结构,只要“巨磁阻”效应仍然有效,科学家们未来就可以进一步缩小体积,增加硬盘的容量。两位科学家都喜欢音乐。菲尔最喜欢的音乐家是美国爵士钢琴家塞隆尼斯·蒙克,而格伦伯格则酷爱古典音乐。他也是一个吉他爱好者。

菲尔1938年3月出生于法国南部小城卡尔卡松。1970年获得巴黎南大学博士学位,1976年成为巴黎南大学教授。从1995开始,菲尔还担任法国国家研究中心和法国泰雷兹集团建立的联合物理实验室的科学主任。菲尔于2004年当选为法国科学院院士。

格伦伯格1939年出生于比尔森,1969年获得达姆施塔特工业大学博士学位,1972年成为德国乌尔里希研究中心教授,2004年退休。

格伦伯格有很强的知识产权保护意识。当两位科学家在1988年发现“巨磁阻”效应时,他们意识到这一发现可能会产生巨大的影响。格伦伯格还为此申请了专利。

目前,根据这一效应开发的小容量和大容量电脑硬盘已经得到广泛应用。这两位科学家此前因发现“巨磁阻”效应获得了多项科学奖项。