自旋电力学与硬盘驱动器：有趣迷人的量子力学

2023-11-17 理论教育版权反馈

【摘要】：计算机硬盘就是自旋电子学的一种应用形式，尽管下一代计算机可能会使硬盘显得多余。类似地，计算机里的硬盘驱动器是一种磁性材料，存在以特定模式磁化的区域，这个模式的最小单元被称为“位”。为了读取硬盘上存储的“1”和“0”形式的信息，硬盘驱动器用“巨磁电阻”或“磁性隧道结”等装置作为探测器。图18-1计算机硬盘驱动器中通过电流测定磁场的器件结构示意图。

在探索原子内部世界时，物理学家们取得的最惊人的发现之一就是电子，它是亚原子粒子中携带负电荷的基本单位，也是一个小磁体，如第4章图4-3所示。这种内部磁场与一种被称为“自旋”的性质有关，不过，自旋这一术语的使用并不准确。因为内部磁场确实与内禀角动量有关，但它不是由电子的陀螺式旋转引起的。尽管如此，物理学家们在谈及电子（质子或中子）的内部磁场时，不可避免地会提及粒子的自旋。

晶体管通过在导电材料顶部的绝缘板上施加电压，来调节通过半导体的电流。在这种情况下，通过半导体的电流是由带负电荷的电子构成的。在迄今为止的大多数电子设备中，电子的内部磁场都被忽略了。正如你预想的那样，以电子自旋为理论基础研制而成的电子设备，考虑到了电子的内部磁场。这一研究领域被称为“自旋电子学”或“磁电子学”。在这类电子设备中，电子的磁场是被探测和操控的信号的重要组成部分。计算机硬盘就是自旋电子学的一种应用形式，尽管下一代计算机可能会使硬盘显得多余。

如第15章所述，DVD以“1”和“0”的二进制编码信息，分别对应碟片上平滑或有凹坑的区域。从光盘表面的平滑区域反射回来的激光，将会顺利到达光传感器；而如果激光击中了光盘表面的凹坑，则会发生漫反射，反射光不会到达传感器。类似地，计算机里的硬盘驱动器是一种磁性材料，存在以特定模式磁化的区域，这个模式的最小单元被称为“位”。驱动器将信息以1和0的形式存储为磁化区域，当北极指向一个方向时代表“1”，指向另一个方向时代表“0”。在不同区域上方移动磁体可以将数据写入相应区域的每个“位”（在当前硬盘驱动器中），每个区域中内部磁场的方向与外部磁场的方向相同。想要形成相反的磁化样式，需要使用相反方向的磁场。使用去极化磁场，则可以清除这些“位”。为了读取硬盘上存储的“1”和“0”形式的信息，硬盘驱动器用“巨磁电阻”或“磁性隧道结”等装置作为探测器。

所有的固体内部都有可以安置电子的被允许的量子能量带，将能量带分开的能量间隔里不允许出现电子。绝缘体与金属的不同之处在于，对于绝缘体（或者半导体）而言，较低能量带（乐池）被电子填满，每一个可能的能量带都被一个电子占据。相对而言，在金属中，能量较低的乐池只被填充了1/2，如第14章图14-1（b）所示。如果对金属施加一个电压，电子就会加速运动，动能增加。回想一下，我们关于水管与金属线的类比：电压好比水压，电流就如同通过水管的水流。由于金属中能量较低的乐池中总有一些空穴，乐池中的电子总能跃迁至更高能量态，因而材料能够导电。

在电压一定的情况下，金属导体中电流强度的决定因素是什么呢？通常，电子可以利用金属导线中的原子做自由移动——只要原子处于均匀排列的晶体结构中，它们就不会阻碍电流的传输。这好比一个人在城市的人行道上奔跑，只要混凝土路面平坦均匀，就不会被绊倒。但如果人行道上有坑洞或者凸起的树根，跑步的人就很可能被绊倒。现实中使用的任何金属导线都存在缺陷，比如晶体瑕疵，以及在制造过程中不可避免地掺入的固体杂质。被电压加速的电子会在缺陷处发生散射，并将一些动能转移给这些缺陷处的原子。

这种散射有时是有益的，比如在白炽灯或是烤面包机中，强大的电流被迫通过狭窄的细金属丝，加速移动的电子把它们的大量能量转移给金属导线的原子，使得这些原子在它们通常的位置附近剧烈地振动。这种振动使金属丝的温度升高，发出赤热的光（比如烤面包机的线圈），当电流更大而金属丝更细时，这种振动将使所有电子都受激跃迁至更高能量态，金属丝发出所有频率的光，这些光被人眼识别为白光（比如灯泡的灯丝）。有时，电子与金属导线中的原子发生碰撞而损失能量又是一件坏事，比如在电力传输的电缆中。为了弥补这种能量损耗，输电线路的电压必须非常高，因此需要沿输电线路设置变电所和变压器。

计算机硬盘驱动器用有磁性的原子来散射电子，识别磁化“位”的不同磁场。一层薄的非磁性金属像三明治中的火腿片一样，被夹在两层磁性金属之间。在没有外部磁场的情况下，一片磁性“面包”被永久地极化了，其磁场指向层状结构的一个方向，另一片“面包”则在另一个方向上被极化（被非磁性中间层分隔开的两个磁性层之间的量子力学耦合属性，使这种结构处于低能量态）。(www.chuimin.cn)

想象一下，一股电子流垂直进入这个“三明治”的顶部，穿过一片磁性“面包”，再穿过由非磁性金属做成的“火腿”夹层，最后穿过另一片磁性“面包”，如图18-1所示。当电子流刚进入第一个磁性层时，电子尚未被极化，它们的内磁场可能指向一个方向（自旋“向上”），也可能指向另一个方向（自旋“向下”）。第一个磁性层极化了这些电子，所以那些移动到非磁性夹层的电子，其内部磁场方向与第一个磁性层的磁场方向相同。当它们到达第二个磁性层时，这一层通常具有与第一个磁性层方向相反的磁场，因此大多数被第一层极化了的电子都被反射回去，仅有极少量电流通过第二个磁性层并离开“三明治”。如果一个给定的电压只产生了极少量电流，我们就称该器件对于垂直穿过“三明治”的电流具有很大的电阻。

图18-1　计算机硬盘驱动器中通过电流测定磁场的器件结构示意图。一束电流既带有负电荷，又有因自旋而产生的内部磁场。电子流进入装置后被第一个磁性层极化。在图a中，第二个磁性层与第一个磁性层的磁场方向相反，因此被第一层极化的电子被第二层排斥，导致电流变得很小。在第二种情况下，第二个磁性层与第一个磁性层的磁场方向相同，因而被第一层极化的电子能轻易地通过第二层。所以，第二种情况（b）表现出对电流的低电阻，而第一种情况（a）则代表一个高电阻状态

现在，这个结构被放置在一个外部磁场中，比如由计算机硬盘中磁化的比特所产生的外部磁场。这个外部磁场迫使“三明治”中的两个磁性层指向相同的方向［图18-1（b）］。现在，当一束电流通过这个结构时，第一层如上文所述极化了电子的内部磁场，与第一层磁场方向相同的第二层可以让电子流轻松通过，因此将会有较大的电流通过这个器件。外部磁场可以引起电阻的巨大变化，变化幅度高达80％以上（严格说来，它们在技术上被称为“巨磁电阻效应装置”），这意味着对很小的磁场它们也非常敏感。因此，硬盘的磁化比特可以变得更小，而且仍然能够有效地读取“1”和“0”的序列。更小的比特意味着可以在一个磁盘区域写入更多的信息，自引入自旋电子学装置后，计算机硬盘驱动器的存储能力得到了显著提升。

第一代苹果数字多媒体播放器能够将大量的数据文件存储在一个小型磁光盘上，也正是因为用于读取信息的传感器是利用巨磁电阻效应制造出来的。将更小的磁化“位”以更高的密度存储，是促进硬盘的磁传感器向前发展的一个驱动因素。磁传感器也可以利用另一种量子力学现象——隧穿效应来检测“位”的磁场。这些传感器具有与图18-1中的器件基本相同的结构，唯一的区别在于，两片磁性“面包”中间放置的不是一层非磁性金属，而是一个薄绝缘体。这样一来，电流只能通过隧穿效应穿过装置，而且这一过程的发生概率对交界面每一边的“磁化”情况非常敏感。这些器件中甚至配置了更加灵敏的探针，可以探测非常小的磁场，目前已被应用于商业化的计算机硬盘驱动器。每当我们访问计算机中的信息时，我们都是在现实生活中利用量子力学的隧穿效应。

巨磁电阻效应背后的基本使命是，在未来的自旋电子学装置中实现新的应用。1988年，阿尔贝·费尔和彼得·格伦贝格分别在法国和德国独立发现了“巨磁电阻效应”，他们因此共同获得2007年的诺贝尔物理学奖。1997年，基于巨磁电阻效应的硬盘问世。实际上，依据量子力学原理设计制造的装置能够快速进入消费品领域，并非稀有之事。比如，1948年，贝尔实验室发明了晶体管；到1954年，人们已经可以买到第一代（昂贵的）晶体管收音机了。

自旋电力学与硬盘驱动器：有趣迷人的量子力学

相关推荐