2007年諾貝爾獎介紹

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物理教育學刊 _{Chinese Physics Education}

2007, 8(1), 91-116 2007, 第八卷第一期, 91-116

2007 年諾貝爾物理獎介紹

黃昭憲 洪連輝

國立彰化師範大學 物理學系 今年2007年諾貝爾物理獎由法國物理學 家 Albert Fert 和 德 國 物 理 學 家 Peter Gruenberg 獲得，由於他們發現了巨磁阻（ Giant Magnetoresistance, GMR ）效應，因而 對磁性記錄技術產生重大的影響。由於巨磁 阻效應的發現有助於今日電子元件的微型 化，而獲得今年的諾貝爾物理獎（表1）， 兩位科學家將獲頒1000萬瑞典克朗(約154萬 美元)的獎金。 磁阻(Magnetoresistance, MR)是指材料的 電阻會隨著外加磁場改變而變化，為便於與 一般電阻區隔，稱之為磁阻。1857 年時，Load Kevin 發現在磁性金屬中，外加磁場和電流 方向的夾角不同時，會造成電阻值的不同， 這種電流和磁場方向夾角相關的電阻稱為異 向 性 磁 電 阻 (Anisotropy Magnetoresistance, AMR)，1971 年 Hunt 提出將 AMR 應用在磁 記錄讀取頭的概念，而 IBM 在 1985 年成功 將 AMR 應用在磁帶機上，並於 1991 年應用 在硬碟的讀取頭，雖然異向性磁阻效應(AMR)

的「磁電阻變化率（MR ratio）」並不大，通

科技報導

Peter Grunberg Albert Fert

背 景 背 景 z 1939 年出生於德國 皮爾森 z 1969 年在德國達姆 師塔特工業大學取 得博士學位 z 德國第 24 為諾貝爾 物理獎得主 z 1938 年出生於法國 卡爾卡松 z 1970 年在巴黎第 11 大學取得博士學位 z 法國第 12 為諾貝爾 物理獎得主 現 職 現 職 1972 年起在德國「猶利 克研究中心」擔任研究 科學家，直到 2004 年 退休，但仍繼續研究。 1995 年起擔任法國 「國家科學研究中 心」物理研究聯合小 組科學主任 研究領域 研究領域 1988 年，發現磁性多層 薄膜之間巨磁組特 性，在外加磁場的作用 下出現劇烈變化。 主要研究在奈米科學 領域，尤其是發現巨 磁阻效應 表 1： 2007 年諾貝爾物理學獎得主 常僅在 1% 到 3% 之間，但 AMR 磁頭的應 用在當時已經是達成高密度儲存裝置的重大 突破。 Fert[1] 和 Gruenberg 兩人在 1988 年發 現鐵/鉻多層膜在溫度 4.2K 的環境下有接近 50%的磁阻變化率(圖 1)，由於其值遠大於異 向 性 磁 阻 的 變 化 率 ， 故 取 名 為 巨 磁 阻 (GMR)。後來其他科學家研究發現，GMR

92 效應普遍存在於[鐵磁性/非鐵磁性]多層膜系 統中而不單只存在於鐵/鉻多層膜系統中。諾 貝爾獎評審委員會在宣佈物理獎也說這雖然 是「好奇心導致的發現」，卻極大地加速了資 訊時代的進步，而且由於磁性層都只有奈米 級的厚度，也可以把這項發現視為「奈米科 技領域的首次應用」。 圖 1：Fe/Cr 多層膜磁阻曲線圖[1] FM, Free layer FM, Pinned layer AFM Metal -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 19.4 19.6 19.8 20.0 20.2 20.4 20.6 20.8 _Longitudinal R( oh m) H(kOe) R 圖 2：巨磁阻自旋閥結構 雖然[鐵磁性/非鐵磁性]多層膜系統具有 良好的磁阻變化率，但因為此結構中的高電 阻態是藉由兩鐵磁性層之間的反鐵磁性耦合 所造成，因此想要達到低電阻態的話，必須 外加較大的磁場去克服此一耦合作用，但在 實際的元件應用上，我們希望可以在低磁場 下即可達到高、低阻態的變化所以需要外加 較大的磁場，使得其應用的實用性大大降低 。直到1991年，IBM的Dieny和Parkin提出自旋 閥(spin valve)結構[2](圖2)，利用反鐵磁性層 與被釘扎層，讓巨磁阻效應可以在低磁場下 達到高低電阻態的變化，使得巨磁阻效應的 應用有了突破性的發展。1994年IBM發表了 巨磁阻效應的新型讀取頭，並於1997年正式 推出使用巨磁阻讀取頭的硬碟，使得硬碟容 量快速增加，巨磁阻很快地變成為硬碟系統 的標準技術。巨磁阻讀取頭大幅提升硬碟的 儲存性能，從早期的數MB的硬碟發展到數十 GB的硬碟都是巨磁阻效應的功勞。這種現象 的應用為硬碟讀取資料帶來革命性改變，也 在多種電磁感測頭的應用上扮演重要角色， 促進新一代電子元件的發展，這讓自旋電子 (Spintronics)元件，被視為奈米科技首度實際 應用於前景可期的領域。 自旋電子另一項重大的應用就屬磁性記 憶體 (MRAM)，一般手機一講就沒電，待機 不夠長久，這是因為手機使用傳統記憶體 SRAM 或 DRAM ， 不 論 使 用 SRAM 或 DRAM，都需要電池供電以維持記憶狀態。 新世代的磁性記憶體MRAM幫你解決這一個 問題。輕薄短小、省電持久、讀取快速是它 的特點，它媲美SRAM的高寫入/讀取速度， 並擁有與DRAM相抗衡的記憶容量，目前已 被全球列為下一世代新式記憶體。

93 巨磁阻效應的發現，大幅提升硬碟的記 錄密度，使得密度提高，也使用硬碟尺寸隨 之變小，這讓自旋電子(Spintronics)元件首度 踏入實際應用的領域。現在每年有超過10億 個硬碟和MP3隨身碟的產品使用這種技術， 也難怪連諾貝爾評審委員也說：「若無這項發 現，MP3與iPod工業根本不會存在」，由此可 見其重要性。

參考文獻

1.M.N.Baibich, J.M.Broto, A.Fert, Phys. Rev. Lett. 61,2472(1988)

2.B.Dieny, V.S.Speriosu, S.Metin, S.S.P.Parkin, J. Appl. Phys. Vol.69,4774 (1991)