那个引爆了下一代存储革命的东西到底是个啥？
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来源：EETOP整理自 研之有物（台）
电子自旋号称将会引爆下一代存储革命！今天我们就来科普一下。
电子自旋有多神奇？
电子，是世界上最神秘的粒子之一。它不只带有负电荷，还会「自旋」。这个奇异的特性，是整个物质世界的根基，也是当代磁学的关键字，促成磁性记忆体等重大科技突破。约翰霍普金斯大学物理系钱嘉陵讲座教授，娓娓道来电子自旋如何开启「现代磁学的黄金时代」。
钱嘉陵，任教于美国约翰霍普金斯大学，并为Jacob L. Hain客座教授，专注于磁性、超导体、自旋电子学和纳米结构材料的研究。钱教授不但是美国物理学会和美国科学促进学会的会士，荣获美国物理学会的大卫阿德勒奖(David Adler Award)，更得到国际物理与应用物理联盟(IUPAP)磁学奖与奈尔奖章(Néel Medal)。
电子自旋= 旋转的电子？
电子虽有角动量，却不能理解成电子真的在转。因为电子是个体积无限小的粒子，没有体积，所以不可能转动，自旋完全是量子力学的概念。而且电子自旋角动量值在磁场中只能是1/2或-1/2 ，没有其他可能的值，这就是「电子自旋1/2 」的由来。
如此违反直觉的电子自旋，究竟是怎么被发现的呢？
纯属意外！发现电子自旋1/2
电子自旋解说视频：
这两位科学家有多走运？两人使用的粒子束虽然不是电子，却正好是银原子，这是少数体积够大足以观测、整体效应却又等同一个电子的粒子。「如果他们换一种原子来做，就不会看到自旋了！」钱嘉陵提出另一幸运条件：「这个实验的银原子这么少，怎么看得见？原来当时的科学家会在实验室抽雪茄烟，是烟，让银原子现形。」
尽管自旋在1922 年就发现了，但碍于自旋是纳米尺度的现象，需要高科技的观测技术才能观察，因此又过了六十几年，相关成果才开始崭露头角，包括发现层间耦合（ interlayer coupling ）以及巨磁阻效应（ giant magnetoresistance ）等等。「自1986 年起，几乎每一两年，大家就找到一个关于自旋的新题目，现代磁学的黄金时代就此揭开序幕。」钱嘉陵回想。
若用一个词来叙述「现代磁学」，那个词就是「自旋」。
自旋电子引爆磁性存储器革命
硬盘包含磁盘片和磁头，磁盘片负责纪录资讯、磁头负责读写资讯。每个磁盘片的存储面都对应一个磁头，磁盘片以每分钟数千转到上万转高速旋转，这样磁头就能对磁盘片的指定位置进行读写。
传统的磁头是读写合一的电磁感应式磁头，不论读写都以电磁感应的方式进行。后来的硬碟设计将读取和写入分开，采用磁阻式磁头—-通过电阻变化而不是电流变化来感应磁场信号，对于信号的变化更敏感、也更准确，而且读取信号与磁轨宽度无关，磁轨可以做得很窄，大大增加磁盘的储存密度。
巨磁阻效应解释图。如果今天电子通过的导体里有上、下两种方向的磁场，自旋方向为上下的电子都会受到干扰，这时电阻就会很大。如果导体里只有一种方向的磁场，那么其中一种自旋方向的电子就可以顺利通过，电阻就会变得很小。
巨磁阻效应潜力无穷
巨磁阻效应为硬盘磁纪录的设计带来了全新可能。其中一个重要的例子，便是德国物理学家格林贝格（Peter Grünberg）利用巨磁阻效应研发了「自旋阀结构(spin valve structure) 」，改变了硬盘读取头的运作模式。最早的硬盘读取头，是将缠绕有感应线圈磁性物质对准记录的磁区，再根据感应线圈的磁通量变化所产生的感应电流，来得知该磁区记录的是0 或1 。然而，磁区对感应线圈造成的磁场如果不够大，感应电流不够明显，读取就可能产生误差。
自旋阀结构的好处就是只需要小小的磁场，就能产生明显的电阻变化，不但使得读取能精准正确，还能减少耗费的能量。
自旋阀主要结构包含：一个磁场方向已固定的磁层A (pinned layer)，一个避免层间耦合的中间层B (spacer layer )，一个磁场可随外界磁场改变方向的磁层C (free layer) 。当磁层C对准纪录磁区时，磁层C的磁场方向便会随着磁区而改变。如果磁层C产生的磁场方向与磁层A相同，整个结构的电阻就会很小；相反的，如果磁场方向与磁层A相反，电阻就会很大。所以只要透过测量电阻，就能瞬间确认磁区的资讯。
除此之外，科学家也利用巨磁阻效应，开发了「磁阻式随机存取存储器」（MRAM），和以往的各种存储器相比，MRAM可望拥有非易失性（关机断电也不会流失资讯）、读写耗费的能量都少（省电）、处理速度快，磁纪录密度又高的特性。
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