电子自旋有多神奇？

电子，是世界上最神秘的粒子之一。它不只带有负电荷，还会「自旋」。这个奇异的特性，是整个物质世界的根基，也是当代磁学的关键字，促成磁性记忆体等重大科技突破。约翰霍普金斯大学物理系钱嘉陵讲座教授，娓娓道来电子自旋如何开启「现代磁学的黄金时代」。

钱嘉陵，任教于美国约翰霍普金斯大学，并为Jacob L. Hain客座教授，专注于磁性、超导体、自旋电子学和纳米结构材料的研究。钱教授不但是美国物理学会和美国科学促进学会的会士，荣获美国物理学会的大卫阿德勒奖(David Adler Award)，更得到国际物理与应用物理联盟(IUPAP)磁学奖与奈尔奖章(Néel Medal)。

电子自旋= 旋转的电子？

首先，「自旋 1/2」的电子是怎么回事？难道电子会转，而且永远只转半圈？

电子自旋，指的是电子带有的一种量子性质，简单说，科学家观察到了电子具有自旋角动量，而带电的粒子只要旋转，就会产生磁场。换句话说，每个电子不只是带着负电荷的一个小粒子，还是一个「超级迷你磁铁」（磁矩）。

不过，在一般宏观的世界里，物体具有角动量代表正在旋转，但在量子世界里，电子虽有角动量，却不能理解成电子真的在转。钱嘉陵解释：「电子是个体积无限小的粒子，没有体积，所以不可能转动，自旋完全是量子力学的概念。」没有体积，却有角动量，量子世界就是这么不可思议！

量子世界的另一个不思议，在于所有东西都「量子化」，电子自旋也一样──电子自旋角动量值在磁场中只能是 1/2 或 -1/2 ，没有其他可能的值，这就是「电子自旋 1/2 」的由来。许多其他的粒子也有自旋角动量值，但统统只能是1/2的倍数，而且相邻一定差1，例如自旋1 [1， 0， -1] 或是自旋3/2 [3/2， 1/2， -1/2， -3/2] 。

电子虽有角动量，却不能理解成电子真的在转。因为电子是个体积无限小的粒子，没有体积，所以不可能转动，自旋完全是量子力学的概念。而且电子自旋角动量值在磁场中只能是1/2或-1/2 ，没有其他可能的值，这就是「电子自旋1/2 」的由来。

如此违反直觉的电子自旋，究竟是怎么被发现的呢？

纯属意外！发现电子自旋1/2

电子自旋的发现，来自一场「想不到可以成功」的实验。1913年，波耳（Niels Bohr）提出角动量量子化的概念，也就是在量子世界，角动量必定是「普朗克常数除以2π」（符号为几分钟）的整数倍，例如某种粒子具有的角动量是几分钟的1倍，代表在观察这种粒子时，角动量只可以是的重点的 -1、0、+1倍，不能是kde的0.1倍、0.2倍等等介于中间的值。

这个概念对当时的人来说太前卫，违反直觉，反对者包括接下来上场的两位主角──斯特恩（Otto Stern ）与格拉赫（ Walther Gerlach ）。

斯特恩与格拉赫于 1922 年设计了一个实验，本意为「反驳」波耳的说法。他们将「银」蒸发，产生银原子束，穿过一个不均匀的磁场，投射到屏幕上。在通过不均匀磁场时，带有角动量的银原子会受到偏折。如果角动量不是量子化的 （具有各种方向的角动量），偏折的角度将有无限可能，屏幕上应是一片连续分布的银原子。但实验结果出人意表：银原子偏折的角度只有两个。换言之，角动量真的是量子化的！如以下视频所示：

电子自旋解说：

这两位科学家有多走运？两人使用的粒子束虽然不是电子，却正好是银原子，这是少数体积够大足以观测、整体效应却又等同一个电子的粒子。「如果他们换一种原子来做，就不会看到自旋了！」钱嘉陵提出另一幸运条件：「这个实验的银原子这么少，怎么看得见？原来当时的科学家会在实验室抽雪茄烟，是烟，让银原子现形。」

尽管自旋在1922 年就发现了，但碍于自旋是纳米尺度的现象，需要高科技的观测技术才能观察，因此又过了六十几年，相关成果才开始崭露头角，包括发现层间耦合（ interlayer coupling ）以及巨磁阻效应（ giant magnetoresistance ）等等。「自1986 年起，几乎每一两年，大家就找到一个关于自旋的新题目，现代磁学的黄金时代就此揭开序幕。」钱嘉陵回想。

若用一个词来叙述「现代磁学」，那个词就是「自旋」。

自旋电子引爆磁性存储器革命

自旋电子学出现的年代，正是电脑蓬勃发展的年代。电脑里负责长期存储的硬盘，内部是涂满了磁性物质的盘片，也就是每个记忆单元都像是一个小磁铁一样，以磁矩的方向来记录 0 或 1 。因为磁矩的方向不会轻易消失，即使电脑关机、不通电了，也能储存资料。

然而科技的快速发展，磁纪录的密度愈来愈高。自1957年第一个硬盘发明以来，50年内硬盘的存储密度增加了10亿倍。这意味着同样的体积里多了10亿倍以上的小磁铁，或者说，每个小磁铁的体积缩小了10亿倍。在磁铁密度不断增高、体积不断缩小的情况下，不论是制作硬盘或是读写资料，皆越来越困难。

硬盘包含磁盘片和磁头，磁盘片负责纪录资讯、磁头负责读写资讯。每个磁盘片的存储面都对应一个磁头，磁盘片以每分钟数千转到上万转高速旋转，这样磁头就能对磁盘片的指定位置进行读写。

传统的磁头是读写合一的电磁感应式磁头，不论读写都以电磁感应的方式进行。后来的硬碟设计将读取和写入分开，采用磁阻式磁头—-通过电阻变化而不是电流变化来感应磁场信号，对于信号的变化更敏感、也更准确，而且读取信号与磁轨宽度无关，磁轨可以做得很窄，大大增加磁盘的储存密度。

幸好，我们有了自旋电子学！1986 年，科学家发现当两层铁磁性薄膜中间夹着特定金属时，随着特定金属厚度改变，铁磁薄膜的磁场方向会跟着改变，以反向、同向、反向、同向...... 交互循环，称为「层间耦合」。钱嘉陵解释：「这个现象很奇特，里面学问很多，所以一时之间大家都在研究层间耦合，包括我。」

1988年，法国科学家费尔特（Albert Fert）发现，若对薄膜磁场反向的层间耦合元件加上一个大磁场，将其中一片薄膜的磁场硬是翻转过来，就可以让这个组件的电阻降得很低，而且幅度高达50%，这就是「巨磁阻效应」。

为什么会有巨磁阻效应？因为电子自旋有上、下两个方向。如果电子通过的导体里有上、下两种方向的磁场，两种自旋的电子都会受到干扰，这时电阻就会很大。但如果导体里只有一种方向的磁场，其中一种自旋方向的电子就可顺利通过，不受干扰，电阻就会变小。

巨磁阻效应解释图。如果今天电子通过的导体里有上、下两种方向的磁场，自旋方向为上下的电子都会受到干扰，这时电阻就会很大。如果导体里只有一种方向的磁场，那么其中一种自旋方向的电子就可以顺利通过，电阻就会变得很小。

巨磁阻效应潜力无穷

巨磁阻效应为硬盘磁纪录的设计带来了全新可能。其中一个重要的例子，便是德国物理学家格林贝格（Peter Grünberg）利用巨磁阻效应研发了「自旋阀结构(spin valve structure) 」，改变了硬盘读取头的运作模式。最早的硬盘读取头，是将缠绕有感应线圈磁性物质对准记录的磁区，再根据感应线圈的磁通量变化所产生的感应电流，来得知该磁区记录的是0 或1 。然而，磁区对感应线圈造成的磁场如果不够大，感应电流不够明显，读取就可能产生误差。

自旋阀结构的好处就是只需要小小的磁场，就能产生明显的电阻变化，不但使得读取能精准正确，还能减少耗费的能量。

自旋阀主要结构包含：一个磁场方向已固定的磁层A (pinned layer)，一个避免层间耦合的中间层B (spacer layer )，一个磁场可随外界磁场改变方向的磁层C (free layer) 。当磁层C对准纪录磁区时，磁层C的磁场方向便会随着磁区而改变。如果磁层C产生的磁场方向与磁层A相同，整个结构的电阻就会很小；相反的，如果磁场方向与磁层A相反，电阻就会很大。所以只要透过测量电阻，就能瞬间确认磁区的资讯。

除此之外，科学家也利用巨磁阻效应，开发了「磁阻式随机存取存储器」（MRAM），和以往的各种存储器相比，MRAM可望拥有非易失性（关机断电也不会流失资讯）、读写耗费的能量都少（省电）、处理速度快，磁纪录密度又高的特性。