磁性研究的新領域
物理所 林俊源
人類與磁性物質的接觸已有數千年的歷史，對磁石能吸鐵、鎳等金屬一直感到好奇；也在稍後利用磁性材料作成指南針、羅盤等有用的工具。
近代科學興起以來，磁學一直是深具傳統的研究領域，然而傳統的磁學主要著重在磁性物質磁結構與磁化率的探討。另一方面，目前以半導體為主流的電子元件只利用到電子電荷傳輸與穿隧的特性，一直忽略(或無法掌握)真實的電子除了電荷外，還有一個很重要的特性:自旋。
新磁性研究的興起，乃是將磁性材料的磁性與其對材料電阻的影響結合。這一個看似不起眼的結合，卻開拓了一個叫自旋電子學(spinelectronics)的新領域。其目的是儘量的利用電子自旋的自由度，對物質特性的探討與其應用作最大的發揮。這十年來，此領域的進展是相當驚人的，從應用的觀點而，以巨磁阻材料為主的磁閥讀取頭，是近年來電腦硬碟容量快速拓展的靈魂裝置。許多人預測，依類似原理，以穿隧磁性元件(TMR)為主的磁性隨取記憶體(MRAM)將攻佔另一個產值百億美金的電腦記憶體市場。近來台積電宣佈與工研院合作進行MRAM的開發，即有春江水暖的意味。磁閥與磁性穿隧元件的示意圖如下。
然而這個新領域與新科技是否可以持續蓬勃發展，取決於人類是否對電子自旋與固態物質的基本交互作用有更深入的理解。磁性材料中維度、缺陷與雜質所演的角色，還有是否能將磁性材料與其它物質如超導體、半導體結合都是極有趣的課題。物理所為了從事這方面的研究，成立超導與磁性實驗室，對基本物性如磁阻與磁化率的測量已頗具設備。此刻也正與電子物理系固態實驗室密切配合，計劃對磁性材料基本特性、磁穿隧元件、磁性與超導混成元件的製備，與這些元件在奈米尺度下的行為作深入研究。並著手開發超快雷射光學方法探索物質中電子自旋，甚或以光學方法操控電子的自旋行為。
圖一．自旋電子元件示意圖:
(A)磁閥 : △R/R 5%-10% , 飽和磁場 10-30 Oe
| 反鐵磁層 | ||
| 釘紮鐵磁層 | ||
| 非磁性金屬 | ||
| 自由鐵磁層 | ||
| 基 板 | ||
(B)磁性穿隧元件: △R/R 20%-50% , 飽和磁場 10-30 Oe
| 反鐵磁層 | ||
| 釘紮鐵磁層 | ||
| 特殊金屬層〈如Ru〉 | ||
| 釘紮鐵磁層 | ||
| 穿隧層 | ||
| 自由鐵磁層 | ||
| 基 板 | ||