编者按：中科院之声与中国科学院上海硅酸盐研究所联合开设“科普硅立方”专栏，为大家介绍先进无机非金属材料的前世今生。我们将带你——认识晶格，挑战势垒，寻觅暗物质，今古论陶瓷；弥补缺陷，能级跃迁，嫦娥织外衣，溢彩话琉璃。

在现今高速发展的社会，信息存储对人类的重要性不言而喻。信息存储记录了这个社会的发展，帮助人们更好地了解这个世界并推动它的发展。在我们的印象中，纸张似乎是信息存储的开始。然而在信息载体出现之前，大脑才是最强大的信息存储器。而后出现了用于信息存储的工具——龟甲、竹片和纸张等。当时间流淌到近代，录音磁带的发明实现了模拟信号的存储，这也标志着磁性存储时代的开始。

二十一世纪初，诺基亚成为移动手机的巅峰王者，MP3是年轻人的最爱，笔记本电脑是商务人士的标配，4G通信技术还没有投入使用，百度云尚未出生，光驱还是信息存储的中流砥柱。那时的移动和固定存储设备，主流是机械硬盘和小容量的U盘，一台几百GB的电脑和一个8GB的U盘，就足够满足人们的日常工作生活需求。

图1 各类电子信息存储设备 （图片来自网络）

硬盘的信息存储与读取

在电子信息存储设备出现飞涨的现今，你是否好奇过这些通信设备是如何存储信息的呢？

以计算机硬盘为例，首先需要了解硬盘的大致结构组成。封闭的硬盘内部包含若干个磁盘片，磁盘片的每一面都被以转轴为轴心、以一定的磁密度为间隔划分成数量相同的多个磁道，并从外缘“0”开始编号，具有相同编号的磁道形成一个圆柱，即为柱面。而每个磁道又被划分为若干个扇区，每个扇区规定是512个字节，因此，通常硬盘的存储容量=盘面数×柱面数×扇区数×512字节。

图2 硬盘的内部构架 （图片来自网络）

硬盘进行信息的存储与读取的关键材料是磁盘片上的磁涂层。磁涂层是由数量众多的、体积极为细小的磁颗粒组成，若干个磁颗粒组成一个记录单元来记录1比特（bit）信息，即0或1。

而信息存储与读取的基本原理是物理学中的电磁感应。奥斯特发现电流通过导体时，导体周围会产生磁场；随后法拉第发现导体的磁通量发生变化时，闭合回路会产生电流。

磁盘片的每个磁盘面都相应有一个磁头。磁盘写入时，电流通过磁头而产生的感应磁场将改变磁盘各个区域中组成磁涂层的磁颗粒的磁化方向。当给磁头施加不同的电流方向时，使磁盘局部产生不同的磁极，产生的磁极在未受到外部磁场干扰下是不会改变的，这样便将输入数据时的电信号转化为磁信号持久化到磁盘上。在磁盘读取时，磁头就相当于一个探测器，其“扫描”过磁盘面的各个区域时，各个区域中磁颗粒的不同磁化方向被感应转换成相应的电信号，电信号的变化进而被表达为“0”和“1”，成为所有数据的原始译码。通过这种双向的电磁感应作用便完成了磁盘数据的记录和读取。

图3 磁盘内部结构图（图片来自网络）

由此可见，若想增加硬盘的存储容量，似乎需要增加磁盘片。可是近年来硬盘的趋势是小型化，要求存储设备在体积变小的同时，容量还要不断增大。这又是如何办到的？这是因为每个磁盘片上存储信息的区域变小，存储密度变大。但由此导致磁信号也随之变弱了。

高密度的磁存储——巨磁阻效应

此时，基于巨磁阻效应（GMR）的读出磁头应运而生。巨磁阻效应可以在磁性材料和非磁性材料相间的薄膜层中观察到。即使在很弱的外加磁场下，这种结构物质的电阻值也可以产生很大的变化量。外加磁场的变化会改变两铁磁层的相对磁化强度取向平行或反平行。当两铁磁层的磁化取向相同（平行）时，通过的电流大电阻小；当两铁磁层的磁化取向相反（反平行）时，通过的电流小电阻变大。这二种不同的磁化状态下的电阻变化可高达到106，因此被称为巨磁阻效应。

当巨磁阻效应应用于磁存储设备的高密度读出磁头时，即使是非常微弱的磁场，也可以引起足够的电流变化以便识别数据，从而大幅度提高了数据存储的密度，使存储单字节数据所需的磁性材料尺寸大大减少。因此，巨磁阻效应的发现者也获得了2007年的诺贝尔物理学奖。

多种“铁性”的耦合——“多铁性材料”

巨磁阻效应关键之一是铁磁性材料。而铁磁性仅仅是多种“铁性”之一。这里“铁性”就是“铁的基本性质”，包括我们常常听到的“铁电性”、“铁磁性”、“铁弹性”等性能。如果一个材料同时具备其中的两种或者多种性能的“铁性”，这时它便成了“多铁性材料”。

文章来源：《信息记录材料》 网址: http://www.xxjlcl.cn/zonghexinwen/2020/0720/381.html