IBMのGMR読み取りヘッドがハードディスクをノートPCやポケットプレーヤーへと小型化させた

1980年代後半までに、ハードディスク業界は自らの成功が生んだ壁に押しつぶされつつあった。磁区が小さくなるほどその磁場は弱くなり、標準的な読み取りセンサーである異方性磁気抵抗（1857年にケルビン卿が測定して以来知られていた）は感度の限界に達しつつあった。1988年、その壁は二度ひび割れた。オルセーのAlbert FertとユーリヒのPeter Grünbergがそれぞれ独立に巨大磁気抵抗を発見したのである。鉄-クロムの層状構造において、弱い磁場の下で抵抗がこれまで知られたどの効果よりもはるかに大きく変化するのだ。

この効果を製品にするには、さらに二つの動きが必要で、いずれもIBMから主導された。第一にスピンバルブである。一方の磁性層を固定し、他方を自由にすることで、ディスクを走査すると自由層が平行と反平行の間で反転し、各磁区を明瞭な高電流または低電流に変換する — バイナリデータを抵抗から直接読み取るのだ。第二に製造である。両発見者が用いたエピタキシー法は、規模を拡大するには遅すぎ、コストが高すぎた。IBMのStuart Parkinのグループは、GMR効果がスパッタリングという安価な工業プロセスで作られた層でも維持されることを示した — 完全性は決して必要ではなかった。

最初の商用GMR読み取りヘッドは1997年に出荷され、Fertのノーベル講演が記録するように、GMRヘッドは同じ年にAMRセンサーを置き換えた。ノーベルの情報ページは、新技術がほどなく標準になったと記している。その見返りはディスクの指数的な進歩の継続だった。家庭用のテラバイトドライブ、ノートPCやポケット音楽プレーヤーに収まるほど小さなディスクである。後継技術であるトンネル磁気抵抗は現在最新のヘッドに搭載されており、FertとGrünbergはその根底にある効果により2007年のノーベル物理学賞を共同受賞した。

誘導電流ではなく電子スピンでビットを読み取る

読み取り感度は面密度における制約条件であり、GMRは実験室においてAMRを桁違いに上回った — 物理学がボトルネックに正確に合致したのだ。

スピンバルブ構造は磁場の方向を明瞭な二値信号に変換し、アナログ的な微調整を必要としない — この効果は構造上デジタルに適している。

スパッタリングは製造上の壁を取り除いた。効果は完全なエピタキシャル層に依存しなかったため、ヘッドを工業規模で生産できた。

その見返りはディスク自体の経済性を通じて複利効果を生む。面密度のあらゆる向上がギガバイト当たりのコストを下げ、それがポータブル機器向けストレージ市場を生み出したのだ。

発見が製品になるのは、誰かがそれを安価に作る方法を見つけたときだけである。スパッタリングは効果が不完全な層でも維持されることを示した — 製造上の近道が出荷されるものを決めたのだ。

GMR読み取りヘッドは1997年から数年以内に業界標準となり、ハードディスクの密度上昇をテラバイト時代まで支えた。ノーベル財団はこの発展を、ハードディスクがノートPCやポケット機器へと小型化したことと結びつけている。TMRヘッド — 絶縁スペーサーを用いた同じ物理学 — が最新世代でGMRに取って代わった。FertとGrünbergは2007年のノーベル物理学賞を共同受賞し、この効果を工業化したIBMの材料研究は、磁気トンネル接合やMRAMを含むより広範なスピントロニクス分野の種をまいた。