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巨磁阻是什么？先从磁阻谈起
2007 年的诺贝尔物理奖颁予了法国的费尔与德国的葛林柏格，为了他们发现「巨磁阻效应」(giant magnetoresistance, GMR) 及其相关研究。
在巨磁阻的相关研究发表之前，科学家已知外加磁场会小幅影响材料的电阻率，也就是一般所谓的磁阻效应：「外来磁场所引起的电阻变化」。而「巨磁阻」顾名思义，即是在特定的材料下，此一电阻变化的现象更加显著。
要解释磁阻效应这样的情况，先让我们缩小到微观尺度进行观察：一块施有外加磁场的导体，在通入电流下，导体内部漂移的电子会因劳伦兹力而改变其运动行为。
电流改变的状况与磁场和电流间的角度有关：当电流方向与磁场平行时，电子漂移速度会较慢，即电阻增大；反之，当电流方向与磁场垂直时，漂移速度较快，即电阻减小。一般来说，电阻率在这种模式下的增减幅度约为 5%。
1988 年，艾伯特．费尔与皮特．葛林柏格博士在各自的研究中发现了一种可以让磁性材料产生非常大磁电阻变化的方法。他们发现，把具有铁磁性的铁和没有磁性的铬重复堆叠，组成「铁铬多层膜结构」，这个多层结构在外加磁场下，每一层铁的磁矩方向会发生变化，而电流中含有两种不同的电子自旋方向，分别感受到不同大小的电阻，因而导致非常大的磁阻效应，其电阻变化幅度高达 50％，这也就是我们所知的巨磁阻效应。
巨磁阻开创的全新领域：自旋电子学
巨磁阻效应的发现具有重大意义，除了强大的应用性，它还开创了一个全新领域：自旋电子学 (spintronics)。
简单来说，电子具有质量、电荷、自旋等物理特性，而人们可以利用这些物理特性开发出各式各样的电子元件。例如利用电子带电荷的特性，开发出了电晶体、二极管、集成电路等等，大幅增加了人类生活的便利性。
而现在科学家们，在巨磁阻效应的发现与成功展示后，得以借由电子的自旋特性开发出新一批的电子元件。
电子自旋性到底是什么？跟巨磁阻有什么关系？
电子的自旋具有两种方向：上与下。一般来说，这些电子在通过非磁性材料时是不可分辨的，也就是找到自旋向上或向下的电子的机率是一样的，我们称这个特性为「自旋不可分辨性」。
当电子通过具有铁磁性（又称作强磁性，指的是材料在磁化后，仍能维持磁性的特性。常见如铁在磁场中放置一段时间后，即使磁场消失仍能维持一定之磁性）的材料时，如果材料内部具有自发性磁矩（即材料已经具备了磁性），不同自旋方向的电子与材料内部磁矩会产生交互作用，就会有不同的表现，而我们可以利用这个特性将自旋不同方向的电子区分开来。
与自发磁矩平行的电子在传导过程中较不会被散射，但与自发磁矩反平行的电子，则很容易与自发磁矩碰撞而散射。这个效应可以用一个实例来比喻：在跨年夜时顺着人流行走，与逆着人流行走，速度将有显著的差异。对应到磁性材料中，逆向人流将产生更多的擦撞（散射），进而使速度降低（高电阻）。
若把这个原理套用到 1988 年费尔与葛林柏格博士所提出的铁铬多层膜结构时，就可以解释巨磁阻效应是怎么发生的：每一层铁的磁矩全部平行时，只有自旋方向与磁距相反的电子会被散射，而自旋方向相同的电子则容易通过。反之，当每一层铁呈现交互反平行时，无论自旋向上或向下的电子都会被散射。
这个结果反映在铁铬多层膜电阻的量测上，就会呈现极大的电阻变化率，这种模型称为「电流双通道模型」。
▲电流双通道模型。FM（蓝色）表示磁性材料，NM（红色）表示非磁性材料，磁性材料中的箭头表示磁化方向；Spin的箭头表示通过电子的自旋方向；R（绿色）表示电阻值，绿色较小表示电阻值小，绿色较大表示电阻值大
如上图所示，我们将一束电流拆成自旋向上与向下的电子，他们在通过磁化方向与自旋相同的铁性层时将爱到较小电阻 (r)，反之通过相反磁化方向的磁性层时将受到较大电阻 (R)。这里的电阻有两个并联，而图右的 Rr – rR 并联相较于图左的 rr – RR 并联大得多，也就是右图的磁化方向交叉出现，就会出现巨磁阻效应。
时隔 30 多年，研究人员发现了一种新的复合性材料，使巨磁阻效应能被更显著放大。
他们改良 1988 年费尔等人的铁铬多层膜结构，借由先进的奈米技术在两层石墨烯中间插入一至多层的三碘化铬薄膜，形成另一种多层膜材料。而由于 CrI3 分子内含的磁矩比铁铬多层膜结构更大，因此更容易操纵电子在其中的移动速率。
此一复合系统只需施加微量的磁场改变其中 CrI3 的磁化方向，便可出现出高达 19000% 的电阻变化率，与最初费尔等人的 50% 相比，提高了近 400 倍。
而此一大跃进，不仅使物理界为之振奋，也为科技界注入一剂强心针。
巨磁阻：我们生活中的科技应用
事实上，日常生活中所见的磁盘即是受惠于巨磁阻效应。
我们日常生活使用的磁盘储存资料的方式，是所谓的「磁记录」。即是利用磁场感应的方式，探测或改变部分铁磁性材料区域的磁矩方向，以达成记录目的。
磁性材料中磁矩的分布通常是一区一区的，称为「磁域」。在同一磁域中磁矩的排列方向都相同，但不同磁域的磁化方向可以不同，磁域的排列方向便可做为 1 或 0 的数字信号。因此磁域密度大小，与读写入磁域方向的方法，将是决定磁储存技术品质的关键。
巨磁阻效应最大的应用在于制作硬盘机读取头。当读取头经过不同磁矩方向的磁区时，其内多层薄膜的磁性层会与磁区发生交互作用，进而影响读取头内多层膜中的磁性层，呈现平行或反平行状态，因而使得整个薄膜系统的电阻产生极大变化、影响通过电流的大小，由此读取磁区的相关数据。
巨磁阻读取头是利用磁区之间的磁场大小，来决定多层膜中的磁性层是否反转；相对于原本依靠磁通量变化使读取头内线圈产生感应电流来判读的方式，更能减少因电流杂讯所造成的误判。除了更加准确，同时也更薄更省电。薄膜奈米级的厚度，以及读取的精准度，大幅缩小了硬盘的体积，使新一代硬盘的容量得以大幅增加。
有了 MRAM，未来电脑手机开机只需一秒？
除了硬盘读取头的应用之外，巨磁阻效应在内存的进步也占有一席之地。
目前常用的内存可分为两类，一是挥发性内存，如动态随机存取内存 (DRAM) 或静态随机存取内存 (SRAM)；另一类则是非挥发性内存，如快闪内存。
「挥发性」或「非挥发性」的区别，是指当某个元件储存资料后，若外部电源关闭，在电源重新启动时先前储存的资料尚能保留住，则称为非挥发性，若否，则称为挥发性。
DRAM 与 SRAM 是电脑中最重要的两种内存，它们的特性各异。DRAM 耗电量大且数据处理速度慢，优点是容量较大；而 SRAM 处理速度非常快，记忆密度却小了很多。由于 DRAM 与 SRAM 都是挥发性内存，每当电脑启动时，都须重新执行系统的载入动作，耗时甚多。若能使用非挥发性内存取代它们，开机时按下电源键，便会直接进入到关机时的状态，实现秒开。
现有的非挥发性内存因处理速度缓慢，而且读写数次后便会失效，因此尚无法取代 DRAM 与 SRAM。
但若能应用巨磁电阻效应开发出磁阻式随机存取内存 (MRAM)，除了兼具非挥发性、省电、处理速度快，以及高度可重复读写特性之外，记忆密度也非常高。
若新材料能成功进入应用阶段，将可望在不久之后取代现有的内存元件，成为新一代的内存。如台积电近年来即开始研发整合自家低漏电的电晶体与 MRAM，打造出利于物联网的硬件环境。
未来技术成熟时，若能以 MRAM 成功取代目前电脑手机上的内存，不仅将大幅降低功耗，开机时间也将缩短至一秒以内。
总而言之，巨磁阻效应的重要性，会在未来的科技产品中慢慢浮现，而此次对于巨磁阻薄膜的突破性发现，也在相关的科学与科技领域中，立下一新的里程碑。
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