电子，是世界最神秘的粒子之一，不只带负电荷，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，促成磁性内存等重大科技突破。研之有物专访中研院院士、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”。
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，指的是电子带有的量子性质，简单说，科学家观察到电子具自旋角动量，而带电粒子只要旋转，就会产生磁场。换句话说，每个电子不只是带着负电荷的小粒子，还是一个“超级迷你磁铁”（磁矩）。
不过，在一般巨观世界，物体具角动量代表正在旋转，但在量子世界，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。许多其他粒子也有自旋角动量值，但统统只能是 1/2 的倍数，且相邻一定差 1，例如自旋 1 [1, 0, -1] 或自旋 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。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，究竟是怎么发现的？
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 ℏ）的整数倍，例如某种粒子有角动量是 ℏ 的 1 倍，代表观察这种粒子时，角动量只能是 ℏ 的 -1、0、+1 倍，不能是 ℏ 的 0.1 倍、0.2 倍等介于中间的值。
这个概念对当时来说太前卫，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。通过不均匀磁场时，带有角动量的银原子会受偏折。如果角动量不是量子化（具各种方向的角动量)，偏折的角度会有无限可能，屏幕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！如影片所示：
做实验之前，斯特恩信心满满的说：“波耳这个没道理的模型如果是对的，我退出物理圈！”格拉赫也说：“没有实验这么蠢！”（不过他们还是做了）最后他们不但被狠狠打脸，还寄明信片给波耳告解：“波耳，你终究是对的。”
不过两人的脸没被白打，这个实验正式拉开了现代电磁学的序幕。“当时他们看到的现象，其实就是电子的自旋 1/2！因电子的自旋角动量只有两种可能：-1/2 及 +1/2，所以只会产生两条偏折路线。”钱嘉陵笑着说：“能够看见这个现象，真的很走运！”
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，就是烟，让银原子现形。”
尽管自旋 1922 年就发现了，但碍于是奈米现象，需要高科技的观测技术才能观察，因此又过了 60 几年，相关成果才开始崭露头角，包括发现层间耦合（interlayer coupling）及巨磁阻效应（giant magnetoresistance）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。
若用一个词描述“现代磁学”，就是“自旋”。
自旋电子引爆磁性内存革命
自旋电子学出现的年代，正是电脑蓬勃发展的年代。电脑负责长期储存的硬盘，内部是涂满磁性物质的碟片，也就是每个记忆单元像一颗小磁铁，以磁矩方向记录 0 或 1。因磁矩方向不会轻易消失，即使电脑关机不通电，也能储存资料。
然而科技快速发展，磁记录的密度愈来愈高。自 1957 年第一颗硬盘发明以来， 50 年内硬盘储存密度增加了 10 亿倍。这意味着同样体积，多了 10 亿倍以上小磁铁，或说每颗小磁铁的体积缩小了 10 亿倍。磁铁密度不断增高、体积不断缩小的情况下，不论制作硬盘或读写资料，都越来越困难。
▲ 硬盘包含磁盘片和磁头，磁盘片负责记录资讯、磁头负责读写资讯。每个磁盘片的储存面都对应一个磁头，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。（Source：Unsplash，后制：黄晓君、林洵安）
▲ 传统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进行。后来硬盘设计将读取和写入分开，采用磁阻式磁头──透过电阻变化而不是电流变化感应磁场信号，对信号变化更敏感也更准确，且读取信号与磁道宽度无关，磁道可做得很窄，大大增加磁盘的储存密度。（Source：钱嘉陵）
幸好，我们有自旋电子学！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过来，就可让这个元件的电阻降得很低，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。如果今天电子通过的导体有上、下两种方向的磁场，两种自旋电子都会受干扰，这时电阻就会很大。但如果导体只有一种方向磁场，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有上、下两种方向磁场，自旋方向为上下的电子都会受到干扰，这时电阻就会很大。如果导体只有一种方向磁场，其中一种自旋方向的电子就可顺利通过，电阻就会变得很小。（Source：钱嘉陵）
巨磁阻效应潜力无穷
巨磁阻效应为硬盘磁记录设计带来全新可能。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“自旋阀结构”（spin valve structure），改变硬盘读取头的运作模式。最早的硬盘读取头，是将缠有感应线圈磁性物质对准记录磁区，再根据感应线圈的磁通量变化产生的感应电流，得知磁区记录的是 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，不但使读取能精准正确，还能减少耗费能量。
▲ 自旋阀主要结构包含：一个磁场方向固定的磁层 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 对准记录磁区时，磁层 C 的磁场方向便会随着磁区改变。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“磁阻式随机存取内存”（MRAM），和以往的各种内存相比，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，磁记录密度又高的特性。
下一步呢？包括如何用电流更快翻转磁矩以完成读写，甚至以电子自旋流取代电流等研究，对未来的电脑科技可望带来世纪性突破。更多精彩研究，可参考中研院知识飨宴影片“自旋电子学：现代磁学的黄金时代”，让钱嘉陵院士带你走进当代磁学最前线。
（作者：郭雅欣；本文由 研之有物 授权转载）
