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巨磁電阻的發現和應用

65438-0988年,法國巴黎大學肯特教授的研究團隊首次發現了Fe/Cr多層膜中的巨磁電阻效應,在國際上引起巨大反響。20世紀90年代,人們在Fe/Cu、Fe/Al、Fe/Au、Co/Cu、Co/Ag和Co/Au等納米結構的多層膜中觀察到了顯著的巨磁電阻效應。由於巨磁電阻多層膜在高密度讀取頭和磁存儲器件中的廣泛應用前景,美國、日本和西歐在巨磁電阻材料的開發及其在高技術中的應用上投入了巨大的努力。

1994年,IBM開發了具有巨磁電阻效應的讀取頭,使磁盤的記錄密度突然提高了17倍,達到5Gbit/in2,最近又達到了11Gbit/in2,從而使磁盤在與光盤的競爭中再次處於領先地位。由於巨磁電阻效應,器件易於小型化,價格低廉。除讀取磁頭外,還可用於測量位移和角度的傳感器,可廣泛應用於數控機床、汽車測速、非接觸開關和旋轉編碼器等。與光電傳感器相比,它具有功耗低、可靠性高、體積小、能在惡劣的工作條件下工作等優點。利用巨磁電阻效應在不同磁化狀態下具有不同電阻值的特性,可以制成隨機存取存儲器(MRAM),其優點是不需要電源就可以繼續保留信息。

巨磁電阻效應在高科技領域的另壹個重要方面是弱磁場探測器。隨著納米電子學的迅速發展,電子元器件的小型化和高度集成化要求測量系統小型化。在21世紀,超導量子相幹器件、超微霍爾探測器和超微磁場探測器將成為納米電子學的主角。其中,基於巨磁電阻效應的超微磁場傳感器的設計要求其能夠檢測10-2T到10-6T的磁通密度。在過去不可能測量如此低的磁通密度,特別是在超微系統中測量如此弱的磁通密度非常困難。納米結構的巨磁阻器件可以完成這項任務。

英國皇家瑞典學院9日宣布,2007年諾貝爾物理學獎將授予法國科學家艾伯特·費爾和德國科學家彼得·格林伯格,以表彰他們對“巨磁阻”效應的發現。他們將分享10萬瑞典克朗的獎金(1美元約合7瑞典克朗)。皇家科學瑞典學院說:“今年的物理學獎授予了讀取硬盤數據的技術。得益於這項技術,硬盤近年來迅速變得越來越小。”

通常,硬盤也被稱為磁盤,因為磁介質用於在硬盤中存儲信息。壹般來說,密封的硬盤腔內有若幹個磁盤,每個磁盤的每壹面以壹定的磁密度為軸分成多個磁道,每個磁道又進壹步分成若幹個扇區。磁盤片的每個盤面都有相應的數據讀取頭。

簡單來說,當數據讀出頭“掃描”磁盤表面所有區域時,所有區域記錄的不同磁信號被轉換成電信號,電信號的變化進壹步表示為“0”和“1”,成為所有信息的原始“解碼”。

隨著信息數字化的浪潮,人們開始尋求不斷縮小硬盤體積、增加容量的技術。1988年,Phil和Gruenberger獨立發現了“巨磁電阻”效應,即壹個非常微弱的磁變化可以導致電阻發生巨大變化的特殊效應。

這壹發現解決了制造大容量小型硬盤的最大難題:當硬盤的體積越來越大時,必然要求磁盤上每個劃分的獨立區域越來越小,這些區域記錄的磁信號越來越弱。借助“巨磁電阻”效應,人們可以制造出更靈敏的數據讀取頭,使越來越弱的磁信號仍能被清晰讀取,並轉換成清晰的電流變化。

1997年,首個基於“巨磁阻”效應的數據讀出頭問世,迅速引發了硬盤“大容量、小型化”的革命。現在筆記本電腦、音樂播放器等各種數碼電子產品中配備的硬盤,基本都應用了“巨磁阻”效應,這項技術已經成為新的標準。

據《皇家瑞典學院科學公報》報道,20世紀70年代發明的另壹項技術,即制造不同材料超薄層的技術,使人們制造厚度只有幾個原子的薄層結構成為可能。由於數據讀出頭是由多層不同材料的薄膜組成的結構,只要“巨磁阻”效應仍然有效,科學家們未來就可以進壹步縮小體積,增加硬盤的容量。兩位科學家都喜歡音樂。菲爾最喜歡的音樂家是美國爵士鋼琴家塞隆尼斯·蒙克,而格倫伯格則酷愛古典音樂。他也是壹個吉他愛好者。

菲爾1938年3月出生於法國南部小城卡爾卡松。1970年獲得巴黎南大學博士學位,1976年成為巴黎南大學教授。從1995開始,菲爾還擔任法國國家研究中心和法國泰雷茲集團建立的聯合物理實驗室的科學主任。菲爾於2004年當選為法國科學院院士。

格倫伯格1939年出生於比爾森,1969年獲得達姆施塔特工業大學博士學位,1972年成為德國烏爾裏希研究中心教授,2004年退休。

格倫伯格有很強的知識產權保護意識。當兩位科學家在1988年發現“巨磁阻”效應時,他們意識到這壹發現可能會產生巨大的影響。格倫伯格還為此申請了專利。

目前,根據這壹效應開發的小容量和大容量電腦硬盤已經得到廣泛應用。這兩位科學家此前因發現“巨磁阻”效應獲得了多項科學獎項。

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