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巨磁阻是什麼？先從磁阻談起
2007 年的諾貝爾物理獎頒予了法國的費爾與德國的葛林柏格，為了他們發現「巨磁阻效應」(giant magnetoresistance, GMR) 及其相關研究。
在巨磁阻的相關研究發表之前，科學家已知外加磁場會小幅影響材料的電阻率，也就是一般所謂的磁阻效應：「外來磁場所引起的電阻變化」。而「巨磁阻」顧名思義，即是在特定的材料下，此一電阻變化的現象更加顯著。
要解釋磁阻效應這樣的情況，先讓我們縮小到微觀尺度進行觀察：一塊施有外加磁場的導體，在通入電流下，導體內部漂移的電子會因勞倫茲力而改變其運動行為。
電流改變的狀況與磁場和電流間的角度有關：當電流方向與磁場平行時，電子漂移速度會較慢，即電阻增大；反之，當電流方向與磁場垂直時，漂移速度較快，即電阻減小。一般來說，電阻率在這種模式下的增減幅度約為 5%。
1988 年，艾伯特．費爾與皮特．葛林柏格博士在各自的研究中發現了一種可以讓磁性材料產生非常大磁電阻變化的方法。他們發現，把具有鐵磁性的鐵和沒有磁性的鉻重複堆疊，組成「鐵鉻多層膜結構」，這個多層結構在外加磁場下，每一層鐵的磁矩方向會發生變化，而電流中含有兩種不同的電子自旋方向，分別感受到不同大小的電阻，因而導致非常大的磁阻效應，其電阻變化幅度高達 50％，這也就是我們所知的巨磁阻效應。
巨磁阻開創的全新領域：自旋電子學
巨磁阻效應的發現具有重大意義，除了強大的應用性，它還開創了一個全新領域：自旋電子學 (spintronics)。
簡單來說，電子具有質量、電荷、自旋等物理特性，而人們可以利用這些物理特性開發出各式各樣的電子元件。例如利用電子帶電荷的特性，開發出了電晶體、二極管、集成電路等等，大幅增加了人類生活的便利性。
而現在科學家們，在巨磁阻效應的發現與成功展示後，得以藉由電子的自旋特性開發出新一批的電子元件。
電子自旋性到底是什麼？跟巨磁阻有什麼關係？
電子的自旋具有兩種方向：上與下。一般來說，這些電子在通過非磁性材料時是不可分辨的，也就是找到自旋向上或向下的電子的機率是一樣的，我們稱這個特性為「自旋不可分辨性」。
當電子通過具有鐵磁性（又稱作強磁性，指的是材料在磁化後，仍能維持磁性的特性。常見如鐵在磁場中放置一段時間後，即使磁場消失仍能維持一定之磁性）的材料時，如果材料內部具有自發性磁矩（即材料已經具備了磁性），不同自旋方向的電子與材料內部磁矩會產生交互作用，就會有不同的表現，而我們可以利用這個特性將自旋不同方向的電子區分開來。
與自發磁矩平行的電子在傳導過程中較不會被散射，但與自發磁矩反平行的電子，則很容易與自發磁矩碰撞而散射。這個效應可以用一個實例來比喻：在跨年夜時順著人流行走，與逆著人流行走，速度將有顯著的差異。對應到磁性材料中，逆向人流將產生更多的擦撞（散射），進而使速度降低（高電阻）。
若把這個原理套用到 1988 年費爾與葛林柏格博士所提出的鐵鉻多層膜結構時，就可以解釋巨磁阻效應是怎麼發生的：每一層鐵的磁矩全部平行時，只有自旋方向與磁距相反的電子會被散射，而自旋方向相同的電子則容易通過。反之，當每一層鐵呈現交互反平行時，無論自旋向上或向下的電子都會被散射。
這個結果反映在鐵鉻多層膜電阻的量測上，就會呈現極大的電阻變化率，這種模型稱為「電流雙通道模型」。
▲電流雙通道模型。FM（藍色）表示磁性材料，NM（紅色）表示非磁性材料，磁性材料中的箭頭表示磁化方向；Spin的箭頭表示通過電子的自旋方向；R（綠色）表示電阻值，綠色較小表示電阻值小，綠色較大表示電阻值大
如上圖所示，我們將一束電流拆成自旋向上與向下的電子，他們在通過磁化方向與自旋相同的鐵性層時將愛到較小電阻 (r)，反之通過相反磁化方向的磁性層時將受到較大電阻 (R)。這裡的電阻有兩個並聯，而圖右的 Rr – rR 並聯相較於圖左的 rr – RR 並聯大得多，也就是右圖的磁化方向交叉出現，就會出現巨磁阻效應。
時隔 30 多年，研究人員發現了一種新的複合性材料，使巨磁阻效應能被更顯著放大。
他們改良 1988 年費爾等人的鐵鉻多層膜結構，藉由先進的奈米技術在兩層石墨烯中間插入一至多層的三碘化鉻薄膜，形成另一種多層膜材料。而由於 CrI3 分子內含的磁矩比鐵鉻多層膜結構更大，因此更容易操縱電子在其中的移動速率。
此一複合系統只需施加微量的磁場改變其中 CrI3 的磁化方向，便可出現出高達 19000% 的電阻變化率，與最初費爾等人的 50% 相比，提高了近 400 倍。
而此一大躍進，不僅使物理界為之振奮，也為科技界注入一劑強心針。
巨磁阻：我們生活中的科技應用
事實上，日常生活中所見的磁盤即是受惠於巨磁阻效應。
我們日常生活使用的磁盤儲存資料的方式，是所謂的「磁記錄」。即是利用磁場感應的方式，探測或改變部分鐵磁性材料區域的磁矩方向，以達成記錄目的。
磁性材料中磁矩的分佈通常是一區一區的，稱為「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為 1 或 0 的數字信號。因此磁域密度大小，與讀寫入磁域方向的方法，將是決定磁儲存技術品質的關鍵。
巨磁阻效應最大的應用在於製作硬盤機讀取頭。當讀取頭經過不同磁矩方向的磁區時，其內多層薄膜的磁性層會與磁區發生交互作用，進而影響讀取頭內多層膜中的磁性層，呈現平行或反平行狀態，因而使得整個薄膜系統的電阻產生極大變化、影響通過電流的大小，由此讀取磁區的相關數據。
巨磁阻讀取頭是利用磁區之間的磁場大小，來決定多層膜中的磁性層是否反轉；相對於原本依靠磁通量變化使讀取頭內線圈產生感應電流來判讀的方式，更能減少因電流雜訊所造成的誤判。除了更加準確，同時也更薄更省電。薄膜奈米級的厚度，以及讀取的精準度，大幅縮小了硬盤的體積，使新一代硬盤的容量得以大幅增加。
有了 MRAM，未來電腦手機開機只需一秒？
除了硬盤讀取頭的應用之外，巨磁阻效應在內存的進步也佔有一席之地。
目前常用的內存可分為兩類，一是揮發性內存，如動態隨機存取內存 (DRAM) 或靜態隨機存取內存 (SRAM)；另一類則是非揮發性內存，如快閃內存。
「揮發性」或「非揮發性」的區別，是指當某個元件儲存資料後，若外部電源關閉，在電源重新啟動時先前儲存的資料尚能保留住，則稱為非揮發性，若否，則稱為揮發性。
DRAM 與 SRAM 是電腦中最重要的兩種內存，它們的特性各異。DRAM 耗電量大且數據處理速度慢，優點是容量較大；而 SRAM 處理速度非常快，記憶密度卻小了很多。由於 DRAM 與 SRAM 都是揮發性內存，每當電腦啟動時，都須重新執行系統的載入動作，耗時甚多。若能使用非揮發性內存取代它們，開機時按下電源鍵，便會直接進入到關機時的狀態，實現秒開。
現有的非揮發性內存因處理速度緩慢，而且讀寫數次後便會失效，因此尚無法取代 DRAM 與 SRAM。
但若能應用巨磁電阻效應開發出磁阻式隨機存取內存 (MRAM)，除了兼具非揮發性、省電、處理速度快，以及高度可重複讀寫特性之外，記憶密度也非常高。
若新材料能成功進入應用階段，將可望在不久之後取代現有的內存元件，成為新一代的內存。如臺積電近年來即開始研發整合自家低漏電的電晶體與 MRAM，打造出利於物聯網的硬件環境。
未來技術成熟時，若能以 MRAM 成功取代目前電腦手機上的內存，不僅將大幅降低功耗，開機時間也將縮短至一秒以內。
總而言之，巨磁阻效應的重要性，會在未來的科技產品中慢慢浮現，而此次對於巨磁阻薄膜的突破性發現，也在相關的科學與科技領域中，立下一新的里程碑。
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