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自旋电子学的应用

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IBM 研究人员 Stuart Parkin 和他的同事关于“自旋阀”的发现和应用—尤其是在原子级改变材料磁性状态的能力—显著提高了存储容量,从而改变了磁性数据存储的状况。这为当前许多常见的设备和在线应用铺平了道路。

自旋阀的发明

自旋阀传感器在硬盘阅读磁头中最早的应用是在 IBM Deskstar 16GP Titan 中,该产品于 1997年发布,拥有 16.8GB 的存储容量。2007年,日立公司(在 2003年收购了 IBM 的硬盘事业部)推出了 Deskstar 7K1000,这是第一个 1TB 硬盘驱动器。如今,日立 Deskstar 7K3000 的存储容量达到了 3TB。

微驱动器

IBM 在 1999年推出了微驱动器,这是目前最小的硬盘驱动器,它在单片 1英寸磁盘上的容量达到了 170MB。后来收购 IBM 硬盘业务的日立公司在 2006年将微驱动器容量增加到 8GB。微驱动器比闪存具有更高的容量,而且每 GB 的成本更低,在过去 10年间,微驱动器已经在许多个人数字设备中得到了应用,包括苹果的 iPod Mini 和 iPod Classic、Palm 的 LifeDrive 个人数字助理,以及多种 mp3 播放器、数码相机、打印机和手机。

新的内存形式

IBM-斯坦福自旋电子学科学与应用中心的研究人员正在研究新的自旋电子学设备,使我们超越简单的 GMR(巨磁电阻)自旋阀领域,包括磁性随机存取存储器 (MRAM)、用于自旋逻辑应用的自旋注入器,以及新型存储记忆技术的开发,即赛道存储器 (Racetrack Memory)。

“自旋电子学”一词是在 20世纪 90年代出现的,用于描述利用“自旋”能力的设备——自旋是电子的量子力学属性,它仅使用两个值:上自旋和下自旋。自旋电子学的研究促发了巨磁电阻 (GMR) 效应在 20世纪 80年代的发现。IBM 阿尔马登研究中心的研究员认识到,GMR 可用于制造更敏感的硬盘驱动器读取磁头。

Parkin 发现了最基本的自旋电子现象,使自旋阀成为现实,同时研究了由多种磁性和非磁性材料基于流经这些超晶格的电荷电流而组合形成的超晶格的新属性。通过原子级的研究,他发现通过在材料的两个磁层间增加一个非磁层(每一层只有几原子厚),并且应用小的磁场,流经这个中间层的电流可以大大改变。原因是在磁层中,由负电荷电子组成的电流会发生“自旋极化”:所有电子的自旋方向会“向上”或“向下”,这由这些层的磁性方向而决定—就好像纳米级罗盘针指向北极或南极。小磁场会改变这些罗盘针的方向。这有效地创造了打开或关闭“自旋极化”电流的能力—就好像一个阀门一样。

自旋阀也提供了侦测磁性硬盘上更微小的磁脉冲的能力。这种能力允许写入和存储在硬盘驱动器上的数据远远超过 GMR 的能力。

自旋阀传感器在硬盘阅读磁头中最早的应用是在 IBM® Deskstar 16GP Titan 中,该产品于 1997年发布,拥有 16.8 GB 的存储容量。目前,市场上每个硬盘驱动器—许多达到了 TB 或更高的存储容量—都配备了基于 Parkin 的发现而制造的读取磁头。然而,当前的读取磁头不再采用 GMR,而是采用了基于不同物理属性但仍然属于自旋电子学范畴的巨型隧道磁电阻。

存储容量的大大增加使得“云”中的大型数据中心的演变成为可能。也许最重要的是,在全球网络中存储和访问海量数据的能力帮助创造了当前基于信息的世界。

仅仅在 2005年,所有采用自旋阀的硬盘存储的数据量就相当于当时世界上的全部模拟数据量—大约 100艾字节 (Exabyte)。

从 2007年起,基础型自旋阀已经演变成为相关的薄层结构—磁性隧道注入—它展示了巨型隧道磁电阻 (TMR),即电子穿过薄绝缘体的一种现象。GMR 自旋阀中的非磁层已经由这个绝缘体取代,在采用“氧化镁”制造时,这个绝缘体是一个自旋过滤器,仅允许一个自旋方向上的电子通过,就好像一个看门人。流经氧化镁的电流与近 100% 向上自旋或向下自旋的电子相反,这取决于周围磁层的磁性方向。这意味着 TMR 信号要比来自 GMR 自旋阀的信号大得多:几乎大 100倍。TMR 也是磁性随机存取存储器 (MRAM) 的基础,这种新型的非挥发存储器采用磁矩保留数据,而不采用电荷。

目前,Stuart Parkin 带领着一组 IBM 研究人员研究赛道存储器——这是一种截然不同的非挥发存储器技术,由 Parkin 在 2004年提出,它基于最近发现的自旋电子学现象。赛道存储器采用自旋定向电子的电流沿着磁性赛道—纳米级磁线—“移动”磁区。赛道存储器是能够比同类设备提供更高存储密度的几项新技术之一,例如闪存,并将最终由固态存储设备取代磁盘驱动器。

在 IBM 的历史中,公司与外部机构合作,包括大学、团体和其它企业,共同推动大量技术的研究。2004年,IBM-斯坦福自旋电子学科学与应用中心 (SpinAps) 在加利福尼亚州成立。在 SpinAps,IBM 阿尔马登研究中心的科学家和工程师与斯坦福大学的人员、学生和博士后一起研究自旋电子学的理论和实践原理,并基于这些原理开发先进的技术。

自旋电子学也可能实现量子计算的飞跃,即量子信息的单位“qubit” 可以同时占用向上自旋和向下自旋状态,并因此实现计算能力的大大提高。

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