揭示巨磁电阻的神奇效应

GMR效应发现者

瑞典皇家科学院2007年10月9日宣布，法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔共同获得2007年诺贝尔物理学奖。这两名科学家获奖的原因是先后独立发现了“巨磁电阻”（Giant Magneto Resistance，GMR），也被称为效应。GMR效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。根据这一效应开发的小型大容量计算机硬盘已得到广泛应用。瑞典皇家科学院的颁奖人员指出，2007年的诺贝尔物理学奖主要奖励“用于读取硬盘数据的技术，得益于这项技术，硬盘在近年来迅速变得越来越小”。这项技术被认为是“前途广阔的纳米技术领域的首批实际应用之一”。20多年来，“巨磁电阻”效应这一重大发现在笔记本电脑和音乐播放器等所安装的越来越小的硬盘中可存储海量信息。

说到GMR或MR，就要回到20世纪50年代中期。

1956年9月，IBM的一个工程小组向世界展示了第一台磁盘存储系统IBM 350RAMAC，其磁头可以直接移动到盘片上的任何一块存储区域，从而成功地实现了随机存储，这套系统的总容量只有5MB，共使用了50个直径为24英寸的磁盘，这些盘片表面涂有一层磁性物质，它们被叠起来固定在一起，绕着同一个轴旋转。1979年，IBM发明了薄膜磁头，为进一步减小硬盘体积、增大容量、提高读写速度提供了可能。80年代末期IBM对硬盘发展的又一项重大贡献，即发明了MR磁阻，这种磁头在读取数据时对信号变化相当敏感，使得盘片的存储密度能够比以往20MB每英寸（合2.54厘米）提高了数十倍。

1991年IBM生产的3.5英寸（合8.89厘米）的硬盘使用了MR磁头，使硬盘的容量首次达到了1GB，从此硬盘容量开始进入了GB数量级。1999年9月7日，Maxtor宣布了首块单碟容量高达10.2GB的ATA硬盘，从而把硬盘的容量引入了一个新的里程碑。

GMR磁头与磁电阻（MR）磁头一样，它们都是利用材料的电阻值随磁场变化的原理来读取盘片上的数据，但GMR磁头使用了MR效应更好的材料和多层薄膜结构，比MR磁头更为敏感，相同的磁场变化能引起更大的电阻值变化，从而可以实现更高的存储密度。目前GMR磁头已经大量推广，成为最流行的磁头技术。

费尔和格林贝格尔曾说到他们1988年的研究工作，他们各自独立发现了一个特殊现象。以非常弱小的磁性变化就可以导致磁性材料发生非常显著的电阻变化。当时，法国的费尔在铁与铬相间的多层膜电阻测量中发现，微弱的磁场变化可以导致电阻大小的急剧变化，变化的幅度要高出十余倍，他把这种效应命名为“GMR效应”。其实，在此前3个月，德国优利希研究中心格林贝格尔领导的研究小组在具有层间反平行磁化的铁、铬、铁3层膜结构中也发现了完全同样的现象。

可见，GMR效应是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时与无外磁场作用时相比，材料产生了极大的变化。GMR效应产生于新型的磁性薄膜结构。具体地看，这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。上下两层为铁磁材料，中间夹层是非铁磁材料。铁磁材料磁矩的方向是由加到材料的外磁场控制的，因而较小的磁场也可以得到较大电阻变化的材料。

计算机硬盘是利用磁介质来存储信息的。硬盘内部包含若干个磁盘片，磁盘片的每一面都被划分成多个磁道，这些磁道以转轴为轴心、以一定的磁密度为间隔每个磁道又被划分为若干个扇区。磁盘片上的磁涂层是由数量众多的、体积极为细小的磁颗粒（“磁畴”）组成，若干个磁颗粒组成一个记录单元信息，记成0或1。磁盘片的每个磁盘面都相应有一个磁头。当磁头“扫描”磁盘面的各个区域时，各个区域中记录的不同磁信号就被转换成电信号，电信号的变化可表示为“0”和“1”。这是所有信息的原始译码。最早的磁头是采用锰铁磁体制成的，磁头通过电磁感应的方式读写数据。由于信息技术发展对存储容量的要求越来越高，原来的磁头难以满足实际需求。这种磁头的磁致电阻变化仅为1％～2％，读取数据要求较强的磁场，这使磁道的密度不能太大。当容量不断变大时，势必要求磁盘上每一个被划分出来的区域越来越小，这些区域所记录的磁信号会越来越弱。

1997年，全球首个基于GMR效应的读出磁头问世。借助GMR效应，人们制造出如此灵敏的磁头，能够清晰读出较弱的磁信号，并且转换成清晰的电流变化。新式磁头的出现引发了硬盘的“大容量、小型化”革命。(www.xing528.com)

从磁头技术的发展来看，电磁感应式磁头是硬盘诞生时就开始使用的磁头，并且它是一种读写合一的磁头。还有磁致电阻磁头，它是基于“MR效应”。磁性材料的MR效应和半导体材料的MR效应都有应用，硬盘中的MR磁头是基于磁性（铁磁）材料的MR效应。

第三种是巨大磁致电阻磁头。GMR效应可分为基于半导体氧化物的GMR效应和基于多层金属膜的GMR效应。硬盘中的GMR磁头属于多层金属膜的GMR效应。

磁头作为整个硬盘中技术含量最高的部件，其灵敏度基本上就决定了硬盘的存储密度。纵观磁头技术的发展史，每一次磁头技术的飞跃都来自于新的电磁效应的发现和应用，值得一提的是，这3种电磁效应最初都是由IBM公司将其引入商业硬盘领域的。在1993年，比GMR效应更强的“庞大磁致电阻”效应就已经被发现了，其MR变化率大于99％。所以说，在可以预见的未来，硬盘的存储密度仍然会保持飞速的增长，其应用的物理效应也会越来越微观，越来越复杂。

阿尔贝·费尔和彼得·格林贝格尔所发现的GMR效应造就了计算机硬盘存储密度提高几十倍的奇迹。单以读出磁头为例，1994年，IBM公司研制成功了GMR效应的读出磁头，将磁盘记录密度提高了17倍。1995年，宣布制成每平方厘米470MB硬盘面密度所用的读出头，创下了世界纪录。目前，新一代硬盘读出磁头已把存储密度提高到90GB/厘米2，随着低电阻高信号的获得，存储密度达到了180GB/厘米2。

利用具有巨磁电阻效应的磁性纳米金属多层薄膜材料可制作巨磁电阻传感器，是通过半导体集成工艺制作而成。这种传感器具有体积小、灵敏度高、可靠性高和成本低等特点。

诺贝尔评委会主席佩尔·卡尔松用两张图片的对比说明了GMR的重大意义：一台1954年体积占满整间屋子的电脑，还有一个如今非常普通、手掌般大小的硬盘。正是这两位科学家的发现，单位面积介质存储的信息量得以大幅度提升，小型大容量硬盘也得到广泛的应用。

从1998年开始，GMR磁头被大量应用于硬盘当中。但是，这项重要的技术发展到现在也已经接近了极限，硬盘容量的提升必须寻求新的技术。目前开发的下一代技术是“垂直磁记录”技术。“记录位”的S/N两极的连线垂直于盘片，而在此之前的技术都属于“水平磁记录”技术。当硬盘向垂直磁记录技术转变时，GMR磁头也将会同时更换为“隧道MR磁头”。

电磁现象是一个人们非常熟知的现象，从远古时期“琥珀电”的发现和司南的发明，人类积累了大量有关电与磁的知识，也许还会发展出更多的知识，开发出更多的电磁产品，以满足人类的多种需求。