磁信息存儲工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步與磁學(xué)應(yīng)用

磁信息存儲工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步與磁學(xué)應(yīng)用

1磁信息存儲的發(fā)展在近代和近350年的物理遺傳發(fā)展歷史中，物理不僅在定量闡明物質(zhì)世界的基本運行規(guī)律方面發(fā)揮了作用，而且作為各種工業(yè)技術(shù)和工程研究的主體來源。物理學(xué)經(jīng)歷了幾次突破進(jìn)步的進(jìn)展，包括牛頓力學(xué)、麥克斯韋的電磁學(xué)、力學(xué)、討論物理和定量物理。作為物質(zhì)研究的一個分支，鐵磁學(xué)有著悠久的歷史。這項研究對科學(xué)產(chǎn)生了科學(xué)的影響。它是對潘基文的理解和討論，也是海森伯模型海森伯模型的建立。同時，在技術(shù)上還有許多重要的技術(shù)應(yīng)用。例如，永磁體在能源和機器能力的轉(zhuǎn)化方面起著重要作用，軟磁體在能源傳輸?shù)闹行闹衅鹬匾饔?。不同設(shè)計的特殊磁膜和磁體可以相互轉(zhuǎn)換信息和磁體?，F(xiàn)代社會的特征之一,就是信息的快速流動,并為每個普通人所分享.這種信息的普及,是建立在發(fā)達(dá)的信息工業(yè)的基礎(chǔ)上的.龐大的信息工業(yè),可以分為信息的處理(CPU)、信息的存儲、信息的傳輸(通信、網(wǎng)絡(luò))、信息的輸入輸出(打印機、屏幕)這四個部分,每個部分的硬件相對獨立,但是為了使一個系統(tǒng)運轉(zhuǎn),需要這幾個部分組合起來.電子化的信息存儲,使得信息的快速復(fù)制、檢索、大量保存、快速處理成為可能.信息存儲系統(tǒng)的三個主要評價指標(biāo)分別是存取速度(accessrate)、單位價格(priceperbit)、存儲容量(storagecapacity),這正體現(xiàn)了現(xiàn)代人對信息的基本需求.信息存儲可以有三種主要的實現(xiàn)方式:具有最高存取速度的半導(dǎo)體存儲(計算機內(nèi)存、Flash等),價格低廉、攜帶方便的光存儲(光盤、DVD等),以及具有最佳綜合性能的磁存儲(包括聲音記錄、圖像記錄、數(shù)據(jù)記錄三種).這三種信息存儲方式各有自己的適用范圍,互相不可替代.磁存儲發(fā)展最早,歷史最長.目前,磁信息存儲系統(tǒng)是全世界鐵磁性材料最重要的應(yīng)用市場,其產(chǎn)值要大于傳統(tǒng)的應(yīng)用于電機等系統(tǒng)的永磁材料和應(yīng)用于磁芯的軟磁材料.隨著網(wǎng)絡(luò)的普及、信息的爆炸性增長,全世界的磁信息存儲市場很大,1995年就達(dá)到約1000億美元,其中聲音記錄和圖像記錄占了約40%的市場,數(shù)據(jù)記錄占了約60%的市場,隨著PC的普及,數(shù)據(jù)記錄的市場比例還在增加.磁存儲的市場需求包括公共需求(商業(yè)、金融業(yè)、軍事、科學(xué)教育、健康衛(wèi)生、政府部門的信息存儲)、娛樂需求(錄音、錄像、游戲等)、個人信息管理等方面.錄音機、錄像機、計算機硬盤、軟驅(qū)以及1951年前使用的磁鼓外存,1977年前使用的計算機磁芯內(nèi)存等,都是磁信息存儲100年來發(fā)展歷史上的重要技術(shù),并在最近20多年已經(jīng)反過來對相關(guān)基礎(chǔ)研究有很大的促進(jìn)作用.2磁信存儲技術(shù)的百年發(fā)展2.1聲音記錄1878年,美國人OberlinSmith參觀了愛迪生的實驗室,對其中的留聲機產(chǎn)生了很大的興趣.回家以后,他就畫了一張設(shè)計圖,發(fā)表在ElectricalWorld雜志上.這張設(shè)計圖基本體現(xiàn)了后來的磁記錄系統(tǒng)的三部分基本結(jié)構(gòu):存儲信息的磁媒體、讀寫信息的磁頭、實現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)讀寫的機械傳動系統(tǒng).不過,他本人并沒有具體做出實物.1898年,丹麥電信工程師ValdemarPoulsen制造出了第一臺可以記錄聲音的鋼絲電話留言機,這是人類歷史上第一次利用鐵磁性來存儲信息.這臺機器名叫Telegraphone,樣子很像滑線變阻器,也很像愛迪生的留聲機的原始模型.他用的存儲磁媒體就是鋼琴絲;磁頭就是一個簡單的螺線管.不過,當(dāng)時磁學(xué)才剛剛起步,還沒有很好的鐵磁材料,這臺機器的聲音記錄質(zhì)量比不過留聲機,并沒有實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),只是在巴黎國際博覽會上得到了人們的注意.在歷史上第一個取得技術(shù)突破和市場突破的是錄音機.1931年,德國德累斯頓的一位工程師FritzPfleumer發(fā)明了“會發(fā)聲的紙”,實際上就是第一臺錄音機.他將粉碎的鐵磁顆粒用膠水粘在紙條上,作出了第一條磁帶,這在當(dāng)時是一種全新的磁媒體,可以記錄20分鐘的聲音.可惜紙易碎,脆弱的紙條式磁帶無法實用化,這個系統(tǒng)還需要改進(jìn).1932年,在Pfleumer的專利基礎(chǔ)上,德國電信AEG公司和德國三大化學(xué)公司之一BASF公司合作建立了磁帶實驗室.研發(fā)團(tuán)隊中的Matthias提出了一種復(fù)合材料式的雙層磁帶模型,底層為30μm厚的醋酸纖維素薄膜,上層為20μm厚的羰基鐵粉末和醋酸纖維素的混合物,從而實現(xiàn)了真正的磁帶.1933年,研發(fā)團(tuán)隊中一位30歲的工程師EduardSchueller發(fā)明了環(huán)形磁頭,這是磁記錄工業(yè)的一個重要進(jìn)展,從此以后,通過一個窄窄的磁隙,磁場可以被控制在一個很小的范圍內(nèi),從而實現(xiàn)較高密度的信息存儲.由于這個設(shè)計的重要性,后來幾乎所有的電磁學(xué)教科書上,都介紹了這個環(huán)形磁頭的設(shè)計.復(fù)合磁帶(compositetape)、環(huán)形磁頭(ringhead)以及磁帶的初始交流消磁(acerasure)這三項重大技術(shù),使得AEG-BASF團(tuán)隊研發(fā)的Magnetophon錄音機信噪比超過60dB,取得了很大的成功,也體現(xiàn)了材料學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)和電子學(xué)結(jié)合的強大威力.2.2maagophon標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)特點在聲音的磁記錄實現(xiàn)以后,由于第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束以后的50年代電視逐漸開始普及,電視臺迫切需要能進(jìn)行圖像記錄的設(shè)備.人耳能聽到的聲音的信號帶寬為20Hz—20kHz,而電視圖像是由每秒25或30次的畫面構(gòu)成的,每幅畫面由500道線構(gòu)成,每道線包含幾百格信息,因此需要的控制電子槍的信號帶寬為30Hz—5MHz,其載體信號的頻率自然要求更高.信號的頻率是由速度和存儲密度決定的,信息上的寬帶,意味著磁帶和磁頭之間的相對速度必須增大,信號存儲的密度也得增大,因此圖像記錄就需要不同于聲音記錄的設(shè)計.在第二次世界大戰(zhàn)中,有一個來自加州的美國空軍的工程師JohnMullin,在英國聽到了當(dāng)時德國廣播中播放的高保真度的音樂,這就是由AEG-BASF研發(fā)的Magnetophon錄音機播放的.戰(zhàn)后,Mullin通過美國軍方把兩臺錄音機及其設(shè)計圖紙運回了加州舊金山.加州的一家在戰(zhàn)時生產(chǎn)飛機用小電機的Ampex公司,此時面臨沒有軍方訂單的危機,聽了Mullin帶回的錄音機播放的音樂,決定復(fù)制Magnetophon錄音機.錄音機中的幾乎所有機械裝置、電機,都是Ampex公司熟悉的,只有兩個核心部件:磁帶和磁頭,需要重新研制,以便于大規(guī)模生產(chǎn).Ampex公司的工程師使用高磁導(dǎo)率的鎳鐵合金(permalloy)替代了德國人用的環(huán)形磁頭中的硅鋼片,結(jié)果取得了更好的錄音效果.到1947年,復(fù)制并改進(jìn)Magnetophon錄音機的工作取得了成功,Ampex公司獲得了美國ABC廣播電視網(wǎng)的訂單,此后一舉打開了錄音機的市場.錄音技術(shù)的成熟,使得廣播電臺運行成本下降,廣播由此成為普通人生活的一部分.此后,在1948年,JackMullin就考慮是否能做出錄像機.在20世紀(jì)50年代初,固定磁頭的錄像機在美國和英國的多家公司的參與下做了出來.不過,由于圖像信號需要的帶寬為MHz的量級,錄像磁帶必須飛快地運行,這樣磁帶就需要非常長,很不方便.1955年,Ampex的一個工程師RayDolby想到可以使用快速轉(zhuǎn)動的磁頭,并在磁帶上橫向掃描,這樣來解決磁頭和磁帶之間需要很大的相對速度的問題.這個發(fā)明后來被稱為鼓形磁頭(drumhead),圓筒邊上每隔90度嵌入一個磁頭,所以也被稱為四磁頭(quadruplexhead).Ampex的工程師使用鋁鐵合金Alfenol(16%Al,84%Fe)作為磁頭材料,比鎳鐵坡莫合金的抗磨損能力提高四倍.這個鼓形磁頭的自轉(zhuǎn)速度為240rps,從而使錄像帶和磁頭之間的相對速度達(dá)到1500in/s,能實現(xiàn)6MHz圖像記錄所需的帶寬.1956年,Ampex請了當(dāng)時各大廣播公司CBS,ABC,BBC的代表來參觀做好的錄像機,圖像非常清晰漂亮,大獲成功.錄像機系統(tǒng)的最重要的兩個核心部件:錄像帶和磁頭,后來也不斷進(jìn)行更新.1956年,與Ampex的四磁頭錄像機配合的錄像帶,由杜邦公司和3M公司合作研發(fā).杜邦公司生產(chǎn)的聚乙烯對苯二酸鹽作為錄像帶的基底;3M公司生產(chǎn)的1μm長的γ-Fe2O3針形顆粒,大致沿著磁帶的橫向排列,構(gòu)成磁記錄媒體,這種錄像帶可以播放100次.后來,3M公司又不斷研發(fā)出信噪比更高的錄像磁帶,并一直是美國顆粒磁記錄媒體的主要廠家.到了1964年,Ampex公司的FredPfost使用一種新的合金Sendust(也叫Alfesil,5%Al,10%Si,85%Fe)代替原來的鋁鐵合金Alfenol做錄像機磁頭,使得磁頭的使用壽命延長到幾百個小時.在這種復(fù)合錄像磁頭中,磁頭縫隙中的Al2O3或SiO2薄膜是使用濺射的方法制備的,這也是薄膜濺射的方法比較早期的工業(yè)應(yīng)用.錄像技術(shù)的完善,使得電視錄像帶成了電影膠片以外第二種存儲圖像信號的介質(zhì).錄像帶的大量使用使電視臺的運行成本下降,電視臺逐漸普及,播放時間變長,在60年代已經(jīng)使得電視進(jìn)入尋常百姓家,并影響到美國的大選進(jìn)程.2.3dm的數(shù)據(jù)機硬盤磁信息存儲在聲音記錄和圖像記錄方面的成功,自然促使這種技術(shù)在其他形式的信息存儲方面的應(yīng)用.一般其他形式的信息,都是以數(shù)據(jù)的形式出現(xiàn)的,統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)記錄.早期的電子計算機,每一個新的應(yīng)用程序,都需要重新設(shè)計硬件與之配合.1950年以后,JohnvonNeumann提出的程序數(shù)字計算機的概念改變了計算機的基本結(jié)構(gòu),計算機包括一個簡單而強大的處理器、一個程序和數(shù)據(jù)的存儲區(qū)、一個控制器、一個輸入輸出設(shè)備共四個部分.計算機變得更容易使用了,硬件和軟件變得相對獨立,同時對數(shù)據(jù)存儲提出了很高的要求.除了在計算機方面的應(yīng)用,軍事上的飛機和火箭的飛行數(shù)據(jù)(包括引擎溫度、油壓、電子系統(tǒng)電壓、電流等)的記錄、銀行和金融業(yè)每天的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的記錄,都急需進(jìn)行不易丟失的數(shù)據(jù)存儲.這樣,在錄音、錄像系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,開發(fā)磁數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)就變得刻不容緩了.在20世紀(jì)40年代,美國的數(shù)據(jù)都是用打孔機記錄在數(shù)據(jù)紙上的.實際上在中國,這種技術(shù)到五六十年代進(jìn)行“兩彈一星”項目的時候還在使用.1947—1948年,美國軍方在德國的Magnetophon錄音機技術(shù)的基礎(chǔ)上,研發(fā)了磁鼓數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)(drumrecorder),進(jìn)行比較快速的數(shù)據(jù)存儲.在40年代,國際商用機器公司(IBM)一直在做打孔式紙帶的計算器,并有廣泛的客戶.到了40年代后期,IBM開始認(rèn)識到磁存儲的重要性,購買了由RemingtonRand公司制造的美國第一臺數(shù)據(jù)磁帶機Univac系統(tǒng).1951年,IBM在Univac基礎(chǔ)上開發(fā)出720磁帶機,其中使用了類似于德國Magnetophon的醋酸纖維素-鐵氧體顆粒磁帶作為數(shù)據(jù)記錄媒體,另外,一個特殊設(shè)計的數(shù)據(jù)格式為不回零反轉(zhuǎn)格式(non-return-to-zeroinverse,縮寫為NRZI),磁頭中的電流在+1和-1之間躍變,其中每次反轉(zhuǎn)對應(yīng)為二進(jìn)制數(shù)1,否則為0)提高了數(shù)據(jù)存儲密度.這臺磁帶機的數(shù)據(jù)傳輸速率為7500bit/s,比打孔的紙帶機快,但是仍然跟不上計算機需要的數(shù)據(jù)速率.雖然如此,磁帶數(shù)據(jù)存儲還是由此成為了計算機的外存之一.1957年,IBM推出了革命性的隨機存取計算和控制方法(randomaccessmethodofaccountingandcontrol,RAMAC)IBM350計算機硬盤.硬盤的基底是1mm多厚的鋁合金圓盤,表面用γ-Fe2O3針形顆?；煸谟推嶂?用旋轉(zhuǎn)涂覆(spin-coating)方法制備磁記錄層.硬盤的機械結(jié)構(gòu)與鼓形數(shù)據(jù)磁帶機類似,新設(shè)計了一個噴氣旋轉(zhuǎn)軸承和磁頭-磁盤之間的空氣間隙(airbearing),磁頭在硬盤上的飛行速度很快,實現(xiàn)了2kbit/in2的數(shù)據(jù)記錄面密度.到1997年,計算機硬盤的密度達(dá)到了2.6Gbit/in2,40年之內(nèi),面密度大約每兩年翻一番,一共增長了一千多萬倍,堪稱奇跡.在計算機硬盤40多年的發(fā)展歷史中,有幾項技術(shù)起了關(guān)鍵性的作用,其中包括薄膜寫磁頭、磁阻和巨磁阻讀磁頭,高矯頑力的薄膜硬盤,以及部分響應(yīng)最大相似(partialresponsemaximumlikelihood,PRML)信號處理系統(tǒng),其中多項技術(shù)與凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)的發(fā)展有很大的關(guān)系.1979年,薄膜感應(yīng)磁頭(thinfilminductivehead)開始在IBM3370硬盤中使用.薄膜磁頭的制備,使用了半導(dǎo)體集成電路工業(yè)中通用的光刻技術(shù),可以將磁頭的尺度,尤其是磁隙的寬度進(jìn)行精密的控制.薄膜磁頭的第一層是Ni-Fe軟磁層,作為磁頭的一個磁極;然后覆蓋一層薄薄的絕緣材料,在其上制備控制電流的8匝銅導(dǎo)線,在銅導(dǎo)線上再覆蓋一層絕緣材料;最后是另一個軟磁磁極.一系列薄膜磁頭是在一個Al2O3-TiC陶瓷晶片上同時進(jìn)行物理沉積的,切割以后就得到一系列硬盤中使用的磁頭滑塊,有很好的工業(yè)效率.薄膜磁頭的發(fā)明,使得計算機硬盤的數(shù)據(jù)記錄面密度達(dá)到了7.7Mb/in2.磁阻效應(yīng)在1856年就為物理學(xué)家開爾文爵士所知.1971年,Ampex公司的RobertHunt制造出了第一個磁阻磁頭(MRHead),代替?zhèn)鹘y(tǒng)的環(huán)形磁頭進(jìn)行信號的讀出,這樣能解決在記錄密度增高、磁頭尺度減小的情況下,感應(yīng)式磁頭的信號不斷按比例下降的難題.磁阻磁頭的核心部分,是一個磁矩被調(diào)節(jié)到適當(dāng)方向的Ni-Fe軟磁薄膜,在存儲數(shù)據(jù)的硬盤上飛過的時候,數(shù)據(jù)1對應(yīng)的磁場較大,軟磁薄膜中的磁矩隨之轉(zhuǎn)動,導(dǎo)致薄膜電阻和讀出電壓隨之改變,信號就被讀出了.磁阻磁頭的讀出靈敏度,要大大高于感應(yīng)式薄膜磁頭,后來,一般把磁阻磁頭和薄膜磁頭做在一起,成為一個讀寫復(fù)合磁頭.Ampex公司就在斯坦福大學(xué)的北面,是個典型的硅谷中小公司,他們在聲音、圖像信息存儲技術(shù)中的多項創(chuàng)新,是很多硅谷高科技公司的成功創(chuàng)意的縮影.在1985年和1991年,IBM分別在數(shù)據(jù)磁帶系統(tǒng)和計算機硬盤系統(tǒng)中使用了磁阻磁頭.使用了磁阻磁頭以后,1991年的IBMCorsair硬盤,存儲面密度達(dá)到了90Mb/in2,總存儲容量達(dá)到了1GB.1986年,金屬多層薄膜Fe/Cr/Fe的巨磁阻效應(yīng)被德國物理學(xué)家GrunbergP發(fā)現(xiàn),同時受到科學(xué)界和工業(yè)界的重視.到了1996年,在計算機硬盤中,巨磁阻多層膜代替了一般的磁阻薄膜,大幅度提高了感應(yīng)磁場信號的靈敏度,使得巨磁阻磁頭(GMRHead)成為了讀磁頭,數(shù)據(jù)記錄面密度由此超過了1Gb/in2.記錄信息的硬盤磁媒體,與磁頭總是協(xié)同進(jìn)步的.硬盤的基底是機械性能很好的Al-Mg合金,在其上有一個10μm厚的NiP層,這個很硬的NiP層可以用化學(xué)法減薄至5μm,最后可以使得表面變得非常完美而平整.然后,在NiP層上濺射幾十納米厚的Cr底層,在其上再濺射10nm到幾十納米厚的Co-Cr合金磁記錄層.根據(jù)金屬物理的基本原理,Cr底層的表面織構(gòu)決定了具有六角結(jié)構(gòu)的Co-Cr合金原胞的取向(到目前為止,絕大多數(shù)硬盤中的磁薄膜的磁矩都是水平取向的),從而可以控制自發(fā)磁化的取向,以及納米磁顆粒之間的交換相互作用,這樣Co-Cr合金薄膜層的水平矯頑力可以達(dá)到3000Oe(1Oe=79.5775A/m)以上,可以實現(xiàn)超高密度的磁記錄.二進(jìn)制的信號存儲要求每個比特中的信息盡量獨立,互不干擾.高矯頑力之所以對于高密度數(shù)據(jù)存儲有利,是因為相鄰比特之間的靜磁相互作用正比于Ms/Hc,所以,目前最好的硬盤薄膜,在能讀出信號的前提下,盡量減小薄膜的飽和磁化強度,增大矯頑力.在鈷合金的薄膜上面,一般還需要濺射10nm左右的類金剛石碳薄膜,保護(hù)磁記錄媒體.為了減小磁頭和硬盤之間摩擦,由化學(xué)家研究出來的2—3nm的高分子潤滑層要涂覆在類金剛石層表面,最終完成硬盤的結(jié)構(gòu).到2003年,計算機硬盤在實驗室中的存儲密度已經(jīng)超過了100Gb/in2,也就是說,硬盤薄膜中每一位二進(jìn)制數(shù)對應(yīng)的一個比特占有的面積小于80nm見方的尺度(實際上比特長度小而磁道寬度大,單個比特的形狀為長方體).為了實現(xiàn)這么小的尺度,必須在磁存儲介質(zhì)的制備、納米磁頭器件的制備、微磁學(xué)理論、信號處理、摩擦學(xué)等諸領(lǐng)域有強大的基礎(chǔ)研究綜合能力,互相配合,才能實現(xiàn)目前的磁信息存儲技術(shù).下面僅就微磁學(xué)理論方面做一個回顧,討論一下基礎(chǔ)研究與工業(yè)技術(shù)發(fā)展的關(guān)系.3微磁學(xué)的提出鐵磁性材料的研究歷史悠久,不過一般認(rèn)為,磁學(xué)是在19世紀(jì)末居里和朗之萬的對磁性的研究工作以后才正式建立.1907年,外斯提出的鐵磁體的分子場理論,也能解釋鐵磁體磁化率的居里-外斯定律.20世紀(jì)初,物理學(xué)產(chǎn)生了以相對論、量子物理為代表的巨大進(jìn)步,對物理學(xué)的各個方面都有深遠(yuǎn)的影響.1927年,泡利等人從電子在電磁場中的相對論性的總能量表達(dá)式出發(fā),解釋了朗之萬提出的“永久磁子”的根源,指出永久磁子從微觀的角度說就是原子、離子的磁矩.1929年,海森伯在建立了量子力學(xué)的矩陣表象以后,轉(zhuǎn)而研究外斯分子場的微觀來源,他認(rèn)為兩個原子之間的電子波函數(shù)的成鍵態(tài)和反鍵態(tài)的能量差,提供了原子磁矩之間的鐵磁或反鐵磁交換相互作用.這個理論從定性上可以解釋自發(fā)磁化,但是定量上還只能解釋強大的外斯分子場的一個小部分.所以,鐵磁性的定量解釋,到現(xiàn)在還是物理學(xué)沒有完全解決的問題之一.由于鐵磁性材料在工業(yè)應(yīng)用中的重要性(最重要的傳統(tǒng)材料鋼材也具有鐵磁性),雖然鐵磁性的定量解釋沒有完全解決,但對鐵磁性的理論需求卻越來越強.1935年,蘇聯(lián)物理學(xué)家朗道和栗夫希茨提出了一個重要的非線性運動方程,即Landau-Lifshitz方程,以解釋磁矩在外加磁場中的運動.1938年,還在美國哥倫比亞大學(xué)讀博士、研究鋼鐵的力學(xué)問題的布朗(WilliamFullerBrownJr.)看到了朗道和栗夫希茨提出的鐵磁性研究方法,大感興趣,他意識到這是現(xiàn)代磁疇理論的基礎(chǔ),也是后來微磁學(xué)理論的基礎(chǔ)之一.1948年,英國的Stoner和Wohlfarth兩位解出了單磁疇顆粒在均勻反轉(zhuǎn)的情況下的磁滯回線,后來被稱為Stoner-Wohlfarth模型,這是微磁學(xué)理論的另一基礎(chǔ).從30年代到40年代,布朗在美國多個機構(gòu)工作,包括普林斯頓大學(xué)、美國海軍實驗室(U.S.NavalOrdnanceLab,簡稱NOL)、石油公司的研發(fā)部等.在此期間,布朗試圖用近似的方法來求解Landau-Lifshitz這個三維非線性方程,在沒有計算機協(xié)助的情況下,他在解釋接近飽和的磁滯回線方面取得了很好的結(jié)果.在NOL期間,他在鐵磁性的解釋和測量方面訓(xùn)練了大量的人才,并對當(dāng)時美國軍方的磁鼓數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的研發(fā)起了推動作用.1955年,他開始在明尼蘇達(dá)州的3M公司工作,3M公司參與錄音和錄像磁帶的研發(fā),磁記錄需要單磁疇顆粒,所以在此期間他的主要興趣是研究單磁疇顆粒出現(xiàn)的條件,以及磁疇的釘扎對鐵磁性的影響.1958年,布朗在美國一個國內(nèi)會議上,做了一個題為“Micromagnetics:SuccessortoDomainTheory?”的報告,第一次提出了微磁學(xué)的名詞和概念,也就是說,避開鐵磁性自發(fā)磁化的難題,將鐵磁體內(nèi)部劃分為微小的單磁疇單元,分別研究每個單元的磁矩的運動規(guī)律,以更好地理解鐵磁體的基本性質(zhì).在20世紀(jì)60—70年代以后,隨著電子計算機對非線性方程求解能力的提高,布朗提出的微磁學(xué)方法被硅谷的研發(fā)工程師接受,逐漸用到了磁信息存儲工業(yè)中,并對尺度越來越小的各種磁記錄介質(zhì)和磁頭的研究,起到了非常重要的作用,微磁學(xué)融入了磁信息存儲工業(yè)設(shè)計的基本理論,形成了自己的體系.對于磁帶等比較厚的磁存儲介質(zhì),在磁帶的縱截面中,可以建立一個二維的微磁學(xué)模型,在模擬環(huán)形磁頭場的寫入過程時,可以將深入磁帶縱深處各個微元的磁矩分布及其隨時間的演變計算出來,從而計算出讀出信號的大小、信號反復(fù)寫入的噪音特性等問題.計算機硬盤的薄膜磁介質(zhì)中的存儲數(shù)據(jù)比特中的磁矩分布問題,也在80年代末用微磁學(xué)的方法得到了解決,從而促進(jìn)了計算機硬盤循著類似集成電路發(fā)展中Moore定律的規(guī)則不斷進(jìn)步.由于微磁學(xué)對于應(yīng)用磁學(xué)研究的重要性,到80年代,美國大學(xué)里的磁學(xué)研究開始普遍接受微磁學(xué)為磁學(xué)理論的主流這一觀點.到了2000年以后,微磁學(xué)已經(jīng)被工業(yè)界以及凝聚態(tài)物理-材料科學(xué)界的人士廣泛接受,成為具有指導(dǎo)鐵磁性相關(guān)的工業(yè)器件設(shè)計及鐵磁性研究的基礎(chǔ)理論.微磁學(xué)后期的發(fā)展歷程,有點類似于19世紀(jì)熱力學(xué)理論的發(fā)展,都是工業(yè)中有重要應(yīng)用的問題的研究,反過來推動了科學(xué)的進(jìn)步.4磁信息存儲技術(shù)的未來研究方向目前,磁信息存儲系統(tǒng)的演進(jìn)又到了一個新的關(guān)口.首先,由于計算機網(wǎng)絡(luò)的迅速普及,數(shù)據(jù)記錄已經(jīng)變成最重要的磁信息存儲的方式,實際上美國在20世紀(jì)90年代幾乎放棄了傳統(tǒng)的錄音和錄像媒體的生產(chǎn),試圖完全用數(shù)字化的硬盤來實現(xiàn)所有的磁信息存儲.多數(shù)數(shù)據(jù)記錄是用計算機硬盤來進(jìn)行的.自1957年IBM發(fā)明計算機硬盤以來,計算機硬盤一直循著內(nèi)部磁存儲比特的尺度及磁頭的尺度逐漸按比例縮小的方式(scalinglaw)不斷演進(jìn),當(dāng)然中間為了克服比特很小帶來的讀取信息的問題,加入了MR和GMR磁頭.可是,目前計算機硬盤的數(shù)據(jù)存儲面密度已經(jīng)到了100Gb/in2,原來的按比例縮小的漸進(jìn)硬盤設(shè)計方式,遇到了最后的物理極限,也就是單磁疇的鐵磁晶粒的磁矩?zé)岱€(wěn)定性問題.當(dāng)顆粒體積太小的時候,鐵磁晶粒的自發(fā)磁化能量與熱擾動能kBT的比值小于100以后,單磁疇晶粒的磁矩有可能隨時間發(fā)生自發(fā)反轉(zhuǎn),這就叫做鐵磁體的超順磁性.在這個區(qū)域內(nèi),存在硬盤比特中的信息就不可靠了,時間長了會丟失.由于遇到了上述這個物理瓶頸,40多年來在磁信息存儲技術(shù)領(lǐng)域一直領(lǐng)先的IBM公司在2002年遭遇到危機,已將其硬盤部門賣給了日本的Hitachi(日立)公司.為了繼續(xù)提高數(shù)據(jù)存儲密度,磁存儲的方式要有大的轉(zhuǎn)變,需要投入巨額的資金在硬盤系統(tǒng)的各個方面重新進(jìn)行研發(fā),存儲信息的磁介質(zhì)和磁頭,都需要做非常劇烈的改變.目前,美國和日本的各個公司,包括Seagate和Hitachi,在投入巨資直接研究100Gb/in2—1Tb/in2的磁信息存儲系統(tǒng),也就是每個比特必須達(dá)到80nm×80nm—25nm×25n