科學家從「銀原子束」實驗看見「角動量量子化」,大幅提升硬碟讀取...

「自旋」長久以來是一個神秘又難解的概念，它與物理學的旋轉概念、角動量的量子化、狹義相對論，都有很深的關聯，然而它無法以古典物理來解釋，同時也是促成近代「量子力學」誕生的原因之一，究竟它對現代電磁學產生什麼影響，又為計算機硬碟的技術發展造成什麼利基呢？

電子，是世界上最神秘的粒子之一。它不只帶有負電荷，還會「自旋」。這個通用的特性，是整個物質世界的根基，也是當代磁學的關鍵字，促成磁性內存等重大科技突破。研之有物專訪中研院院士、約翰霍普金斯大學物理系錢嘉陵講座教授，娓娓道來電子自旋如何打開「現代磁學的黃金時代」。

什麼是「電子自旋」？

首先，「自旋1/2」的電子是怎麼回事？難道電子會轉，而且永遠只轉半圈？

電子自旋，指的是電子帶有的一種量子性質，簡單說，科學家觀察到了電子具有自旋角動量，而帶電的粒子只要旋轉，就會產生磁場。換句話說，每個電子不只是帶著負電荷的一個小粒子，還是一個「超級迷你磁鐵」（磁矩）。

不過，在一般巨觀的世界裡，物體具有角動量代表正在旋轉，但在量子世界裡，電子雖有角動量，卻不能理解成電子真的在轉。錢嘉陵解釋：「電子是實例積無限小的粒子，沒有體積，所以不可能轉動，自旋完全是量子力學的概念。」沒有體積，卻有角動量，量子世界就是這麼不可思議！

量子世界的另一個不思議，在於所有東西都「量子化」，電子自旋也一樣──電子自旋角動量值在磁場中只能是1/2或-1/2，沒有其他可能的值，這就是「電子自旋1/2」的由來。許多其他的粒子也有自旋角動量值，但統統只能是1/2的倍數，而且相鄰一定差1，例如自旋1 「1, 0, -1」 或是自旋3/2 「 3/2, 1/2, -1/2, -3/2」 。

如此違反主動的電子自旋，究竟是怎麼被發現的呢？

波耳「角動量量子化」太前衛！科學家憤而做實驗挑戰

電子自旋的發現，來自一場「想不到可以成功」的實驗。1913年，波耳（Niels Bohr）提出角動量量子化的概念，也就是在量子世界，角動量必定是「普朗克常數除以2π」（符號為 ）的整數倍，例如某種粒子具有的角動量是 的1倍，代表在觀察這種粒子時，角動量只可以是 的-1、0、 +1倍，不能是 的0.1倍、0.2倍等等介於中間的值。

這個概念對當時的人來說太前衛，違反主動，反對者包括接下來上場的兩位主角──斯特恩（Otto Stern）與格拉赫（Walther Gerlach）。

斯特恩與格拉赫於1922年設計了一個實驗，本意為「反駁」波耳的說法。他們將「銀」蒸發，產生銀原子束，穿過一個不均勻的磁場，投射到屏幕上。在通過不均勻磁場時，帶有角動量的銀原子會受到偏折。如果角動量不是量子化的（具有各種方向的角動量），偏折的角度將有無限可能，屏幕上應是一片連續分布的銀原子。

但實驗結果出人意表：銀原子偏折的角度只有兩個。換言之，角動量真的是量子化的！如以下視頻所示：

「煙」讓銀原子現形，揭開現代電磁學序幕

在做實驗之前，斯特恩信心滿滿的說：「波耳這個沒道理的模型如果是對的，我退出物理圈！」格拉赫也說：「沒有實驗這麼蠢的！」（不過他們還是做了。）但最後他們不但被狠狠打臉，還寄了明信片給波耳告解：「波耳，你終究是對的。」

不過，這兩人的臉可沒被白打，這個實驗正式拉開現代電磁學的序幕！「當時他們看到的現象，其實就是電子的自旋1/2！因電子的自旋角動量只有兩種可能： -1/2及+1/2，所以只會產生兩條偏折路線。」錢嘉陵笑著說：「能夠看見這個現象，真的很走運！」

這兩位科學家有多走運？兩人使用的粒子束雖然不是電子，卻正好是銀原子，這是少數體積夠大足以觀測、整體效應卻又等同一個電子的粒子。「如果他們換一種原子來做，就不會看到自旋了！」錢嘉陵提出另一幸運條件：「這個實驗的銀原子這麼少，怎麼看得見？原來當時的科學家會在實驗室抽雪茄菸，是煙，讓銀原子現形。」

儘管自旋在1922年就發現了，但礙於自旋是納米尺度的現象，需要高科技的觀測技術才能觀察，因此又過了六十幾年，相關成果才開始嶄露頭角，包括發現層間耦合（interlayer coupling）以及巨磁阻效應（giant magnetoresistance）等等。「自1986年起，幾乎每一兩年，大家就找到一個關於自旋的新題目，現代磁學的黃金時代就此揭開序幕。」錢嘉陵回想。

若用一個詞來敘述「現代磁學」，那個詞就是「自旋」。

「自旋電子學」引爆磁性內存革命

自旋電子學出現的年代，正是計算機蓬勃發展的年代。計算機裡負責長期存儲的硬碟，內部是塗滿了磁性物質的碟片，也就是每個記憶單元都像是一個小磁鐵一樣，以磁矩的方向來記錄0或1。因為磁矩的方向不會輕易消失，即使計算機關機、不通電了，也能存儲資料。

然而科技的快速發展，磁記錄的密度越來越高。自1957年第一個硬碟發明以來，50年內硬碟的存儲密度增加了10億倍。這意味著同樣的體積裡多了10億倍以上的小磁鐵，或者說，每個小磁鐵的體積縮小了10億倍。在磁鐵密度不斷增高、體積不斷縮小的情況下，不論是製作硬碟或是讀寫資料，皆越來越困難。

幸好，我們有了自旋電子學！1986年，科學家發現當兩層鐵磁性薄膜中間夾著特定金屬時，隨著特定金屬厚度改變，鐵磁薄膜的磁場方向會跟著改變，以反向、同向、反向、同向……交互循環，稱為「層間耦合」。錢嘉陵解釋：「這個現象很奇特，裡面學問很多，所以一時之間大家都在研究層間耦合，包括我。」

1988年，法國科學家費爾特（Albert Fert）發現，若對薄膜磁場反向的層間耦組成件加上一個大磁場，將其中一片薄膜的磁場硬是反轉過來，就可以讓這個組件的電阻降得很低，而且幅度高達50%，這就是「巨磁阻效應」。

為什麼會有巨磁阻效應？因為電子自旋有上、下兩個方向。如果今天電子通過的導體裡有上、下兩種方向的磁場，兩種自旋的電子都會受到幹擾，這時電阻就會很大。但如果導體裡只有一種方向的磁場，其中一種自旋方向的電子就可順利通過，不受幹擾，電阻就會變小。

「巨磁阻效應」改變硬體的運行模式

巨磁阻效應為硬碟磁記錄的設計帶來了全新可能。其中一個重要的例子，便是德國物理學家格林貝格（Peter Grünberg）利用巨磁阻效應研發了「自旋閥結構（spin valve structure）」，改變了硬碟讀取頭的運行模式。最早的硬碟讀取頭，是將纏繞有感應線圈磁性物質對準記錄的磁區，再根據感應線圈的磁通量變化所產生的感應電流，來得知該磁區記錄的是0或1。然而，磁區對感應線圈造成的磁場如果不夠大，感應電流不夠明顯，讀取就可能產生誤差。

自旋閥結構的好處就是只需要小小的磁場，就能產生明顯的電阻變化，不但使得讀取能精準正確，還能減少耗費的能量。

除此之外，科學家也利用巨磁阻效應，開發了「磁阻式隨機訪問內存」（MRAM），和以往的各種內存相比，MRAM有望擁有非易失性（關機斷電也不會流失信息）、讀寫耗費的能量都少（省電）、處理速度快，磁記錄密度又高的特性。