“自旋”长久以来是一个神秘又难解的概念，它与物理学的旋转概念、角动量的量子化、狭义相对论，都有很深的关联，然而它无法以古典物理来解释，同时也是促成近代“量子力学”诞生的原因之一，究竟它对现代电磁学产生什么影响，又为计算机硬盘的技术发展造成什么利基呢？
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”。这个通用的特性，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打开“现代磁学的黄金时代”。
什么是“电子自旋”？
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，在一般巨观的世界里，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：“电子是实例积无限小的粒子，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” 。
如此违反主动的电子自旋，究竟是怎么被发现的呢？
波耳“角动量量子化”太前卫！科学家愤而做实验挑战
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ℏ）的整数倍，例如某种粒子具有的角动量是ℏ的1倍，代表在观察这种粒子时，角动量只可以是ℏ的-1、0、 +1倍，不能是ℏ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，违反主动，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：
“烟”让银原子现形，揭开现代电磁学序幕
在做实验之前，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：“没有实验这么蠢的！”（不过他们还是做了。）但最后他们不但被狠狠打脸，还寄了明信片给波耳告解：“波耳，你终究是对的。”
不过，这两人的脸可没被白打，这个实验正式拉开现代电磁学的序幕！“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”。
“自旋电子学”引爆磁性内存革命
自旋电子学出现的年代，正是计算机蓬勃发展的年代。计算机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，即使计算机关机、不通电了，也能存储资料。
然而科技的快速发展，磁记录的密度越来越高。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。
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组成件加上一个大磁场，将其中一片薄膜的磁场硬是反转过来，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。如果今天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”改变硬件的运行模式
巨磁阻效应为硬盘磁记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行模式。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。
除此之外，科学家也利用巨磁阻效应，开发了“磁阻式随机访问内存”（MRAM），和以往的各种内存相比，MRAM有望拥有非易失性（关机断电也不会流失信息）、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。