一、信息的磁记录是怎样进行的
l898年由丹麦科学家波尔森（V.Poulsen）发明了人类历史上第一台磁性记录装置——钢丝录音机。录音时用钢丝作为记录声音的磁性载体，以电磁铁作为录音头，用电话机的送话器把声音变换为声频电流送入电磁铁，使电磁铁产生随音频变化的磁场。与此同时让电磁铁沿钢丝移动，于是钢丝被磁化后留下与声音相对应的剩磁。放声时，又把电磁铁当做放音头让它沿钢丝移动，于是钢丝中大小变化的剩磁通就在电磁铁中产生出不同的感应电动势，从而使电话听筒中流过变化的电波，直至放出原来的声音。波尔森的这台录音机尽管电声指标不高，需要借助耳机才能听到微弱的声音，但它的发明却为今天的磁带录音机奠定了基础，从此揭开了磁性记录技术的序幕。
1907年，波尔森又发明了直流偏磁录音法，从而使磁记录技术向前迈进了一大步。录音时在音频电流中再加进一些直流电流让它们一起来磁化钢丝。这样做不但提高了录音灵敏度，还减小了失真。1927年，美国的卡尔森等人在直流偏磁的基础上又发明了交流偏磁法。录音时在声音电流中加进一些交流电流，让它们一起来磁化钢丝，采用这种偏磁方法不但能提高录放音时的信噪比，而且能进一步提高录音的灵敏度并减小失真。所以，交流偏置法的出现把磁性记录技术推进到了实用阶段。
磁记录技术得到发展并进入实用阶段的另一个标志是磁带的出现。1926年，美国的奥尼尔发明了用纸作带基的磁带。它以粉状磁性材料（磁粉）为记录载体，将磁粉涂敷在纸带上而成。但这种磁带由于串音大、强度低、不实用，所以很快就被淘汰了。
1928年德国人弗勒玛提出了将磁粉涂敷在塑料带基上的磁带制作方法。1935年德国AEG（通用电器）公司制成了使用塑料带基磁带的录音机。二次大战后不久，美国3M等公司生产出了优质塑料带基磁带和使用这种磁带的专业录音机及家用录音机。
1962年，荷兰菲利浦公司研制出了盒式磁带和使用这种磁带的盒式录音机。磁带被封装在一个特制的盒子里，使用非常方便。因此，深受各国人们的重视和欢迎。
21世纪，人类进入到信息化时代，信息量的爆炸式增长对信息存储技术提出了越来越高的要求。信息存储已经成为当前信息技术中最活跃的领域之一。信息磁记录技术从1898年诞生，已经跨越了一个世纪。
2006年3月27日联合国大会通过决定确定每年5月17日为“世界信息社会日”。2006年5月17日星期三已经成为首个“世界信息社会日”！
磁性材料的磁感强度B与矫顽力H的关系曲线叫“磁滞回线”，它标志材料的性能。磁滞回线的不同形状，可将铁磁材料分为软磁性材料和硬磁性材料两大类。软磁性材料的磁滞回线狭窄、面积小。它的磁导率m值高（约为1500～8000），矫顽力Hc低（约为0.8～3.2A/m）。磁头材料都选用软磁，因为m值高，在重放时磁阻小；Hc低便使得磁头磁场翻转容易；回线面积小，磁化过程中的损耗小。
硬磁性材料的磁滞回线宽阔、面积大，矫顽力Hc高（约为16k～48kA/m），剩余磁感应强度Br高（约为0.08～0.12T）。磁带或其他磁记录介质都选用硬磁性材料，因为剩磁高，可获得良好的信噪比，又因矫顽力大，可使记录信息不受杂散磁场干扰而轻易反转。
信息磁记录系统中两种电磁转换元件，就是磁头和磁介质（磁带、磁盘），两者构成一个整体，完成了电磁转换过程。首先电能在记录磁头中转换成磁能，并将磁能贮存在磁带中，接着重放磁头又把磁能由磁带中取出，同时在重放磁头内又转换成电能，这样便达到了电磁转换的目的。
磁头，将电信号变成磁信号，通过磁头缝隙写入磁带，又可将磁带上的磁信息变成电信号读出，即它是执行电磁转换的一个换能元件。
二、什么是磁头？磁头演变三部曲
从不同角度可将磁头分成不同的类别，例如：按功能可分为记录（写）磁头、重放（读）磁头和抹磁头；按结构可分为单缝磁头和双缝磁头；也可按磁迹数目分为单迹（或叫单道或单路）磁头和多迹磁头等。
记录磁头、重放磁头和抹磁头的基本结构形式相差不多。如果以单迹磁头为例，磁头基本上是由一个多层环状铁磁物质的铁芯和一个线圈构成。
制作磁头的材料多种多样，有铁氧体、叠片铁磁合金等。
根据磁头出现时间的先后顺序，可见磁记录历史上的三项重要的磁头技术，它们分别是：感应磁头、磁阻（MR）磁头和巨磁阻（GMR）磁头。每一项在当时都具有划时代的意义。
1.电磁感应式磁头
感应磁头是硬盘诞生时就开始使用的磁头，并且它是一种读、写合一的磁头，而后面将要介绍的两种磁头在读、写数据时使用的是不同的磁头，只不过读、写头会被制作在一起，共用一个传动臂罢了。
感应磁头的工作原理很简单，顾名思义，它的读、写操作都是基于“电磁感应”原理的。写入时，磁头就像一个电磁铁：铁芯上绕有线圈，线圈通电，产生磁场，然后将磁场作用于盘片上的一个记录位。盘片上涂有磁性物质，这些磁性物质是由无数“磁畴”组成的，每个磁畴都有S/N两极，像一个小磁铁。在磁介质没有被磁化时，内部磁畴的方向是杂乱的，对外不显示磁性。当外部的磁场作用于它们时，内部磁畴的方向会逐渐趋于一致，对外显示磁性。当外部的磁场消失时，受磁畴壁阻力的影响，磁畴的方向不会回到从前的磁状态，因而该记录位具有“剩磁”，这就是磁记录的方式。当要改变磁记录位的信息时，只要对它施加反向磁场，如果该磁场足够强，就可以重新改变内部的磁畴排列方向，同时该记录位对外的磁性也会改变。读取数据时，磁头和盘片发生相对运动，金属切割磁力线，金属中会产生“感应电势”，由于线圈处在一个闭合回路当中，因此线圈中的感应电势会进一步转变为“感应电流”，感应电流的方向就代表了磁记录位的磁场的方向。
如前所述，盘片上的磁介质由于要长期存储信息，所以采用的是硬磁材料；而磁头由于要不断地改变磁场方向，因而采用软磁材料。但读取过程则不同，随着存储密度的提高，磁记录位越来越小，感应磁头的体积也必须同时缩小，这样才能确保不会读取到相邻的磁记录位的信息。但是，靠切割磁力线所产生的电流是十分微弱的，磁头越小，读取到的信号也就越微弱，而且越容易受到干扰。在经历了几次改进之后，才于1991年前后使数据的读取工作由磁阻磁头接替了。
2.什么是“磁致电阻磁头”
磁阻磁头基于“磁阻效应”。磁阻效应是指当磁性材料处于一个外部磁场时，如果磁场的方向和磁性材料中电流的方向不同，那么该磁性材料的电阻会随着施加于它的磁场的强度而变化，尽管这种变化十分微弱。硬盘中的磁阻磁头的作用原理就是基于磁性（铁磁）材料的磁阻效应。
磁阻磁头采用多层膜结构，从外向内有：上、下绝缘膜，上、下屏蔽膜，上、下隙缝膜。再往内部就是其核心部分：磁阻效应膜、偏磁膜、噪声抑制膜和两层隔离膜。隔离膜的作用是对磁阻效应膜、偏磁膜和噪声抑制膜进行磁隔离，但很难进行电隔离，因而磁阻效应膜、偏磁膜和噪声抑制膜就组成了一个并联回路，电流通过偏磁膜上的两个电极流入该并联回路中。
偏磁膜采用软磁材料，噪声抑制膜采用硬磁材料。设法增加这两个膜的电阻，会使更多的电流分流到磁阻效应膜当中，在这里完成主要的磁阻效应。偏磁膜的作用是向磁阻效应膜施加一个方向平行于盘片的“横向偏置磁场”，使磁阻效应膜的响应呈线性，而噪声抑制膜的作用是抑制“巴克豪森”噪声。
在读取数据时，电流会持续不断地流经磁阻效应膜，由于磁阻效应所产生的电阻变化十分微弱，因此流出磁阻效应膜的电流要经过一个信号放大器，以增大电压的浮动范围。磁阻磁头的最大缺点就在于磁阻变化率低，通常不会超过5%，虽然经历了很多次改进，这个缺点仍然没有彻底解决。1992年科学家们发现了应用“自旋阀”结构的“巨磁阻效应”，它的磁阻变化率在常温下可达40%，因此磁阻磁头被巨磁阻磁头取代也就是顺理成章的事了。
3.巨磁阻GMR磁头
巨磁阻磁头的核心部分是四层膜：自由膜、非磁性膜、引线膜和反铁磁膜。
其中，自由膜和引线膜采用的是磁性材料，自由膜属于软磁材料，引线膜使用硬磁材料，它们之间是一层金属非磁性膜，作用在与对自由膜和引线膜进行磁隔离，但不进行电隔离。引线膜的背面是反铁磁膜，铁磁和反铁磁材料在交换耦合作用下形成一个偏转场，此偏转场会将引线膜的磁化方向固定。
自由膜的作用是对盘片上的磁记录信息作响应，在没有外加磁场的情况下，它的磁化方向与引线膜垂直，此时无论何种自旋方向的电子都很难穿过自由膜和引线膜，这时相当于电阻值高。当盘片上的磁记录位的磁场方向和自由膜的磁化方向相反时，自由膜的磁化方向发生偏转，与引线膜平行，此时自旋方向平行于它们的电子就很容易穿过这两层，这时相当于电阻值低。
读取数据时，电流持续流经各膜，通过检测电阻的变化就可以得到反映磁记录位的磁场方向和磁通强度的函数。这种利用电子的自旋特性、像阀门一样限制电子移动的结构就被称为“自旋阀结构”，也是当今主流的磁头结构。
三、纳米走进硬盘——量子磁盘（QMD）的诞生
最近十几年，硬盘的面记录密度正以每年60%的速度递增。是什么力量、什么技术创造硬盘的面记录密度飞速增长的这个神话的呢？
1991年明尼苏达大学纳米结构实验室进行图形磁结构的研究，纳米尺度的单畴Ni（镍）棒图形是电子束印刷的，好像一个“点”磁荷重叠而成的。接着该实验室还报导，制得了尺寸为15nm的更小Ni棒。1993年建立在印刷制造的纳米磁结构的量子化磁盘（QMD）诞生了。同年，制成了一个密度为65Gb/in2QMD的量子化磁盘。从此，为解决QMD和其他磁纳米结构图形的纳米印刷技术，一个低价、高产的纳米制造技术终于在1995年问世了。
与此同时，斯坦福大学所研究的Co-Fe矩形图形为早期的图形磁结构作出了贡献。
由于磁性材料的结构采用纳米技术处理，它为磁性材料和器件的创新和开发、超高密度磁存储以及对微磁学的理解等方面，提供了空前的想象力，这一快速发展的领域概括为以下几个方面：
（1）设计纳米磁结构，如10nm（或者更加小）的工艺图形；
（2）建立一个独特的磁性工艺（如制造磁畴结构，磁畴开关和磁阻），通过图形（或者模型）以及磁性材料的成分来控制获得磁畴尺寸、形态、空间间隔和取向。
（3）量子化磁盘是一个新的范例，超高密度磁存信息是建立在单畴的基础上的，容量可达400Gb/in平方以上（或者更高，达到了1000GB/in平方）。
（4）亚10nm印刷技艺：一个新的低价、高产的制造纳米磁结构的工艺技术。
尺寸和形状对PMN（纳米图形磁性结构）性能有较大影响：首先，单畴在没有外加磁场的情况下可以自发形成，这是PMN的第一个重要特性。也就是说，制造出的结构能很快成为磁偶极子，这是静磁能和交换能作用的结果。为减少交换，一方面，所有磁畴似呈蜂巢状排成了一个方向（即铁磁性），形成一个单畴；另一方面，为减少静磁能，这个蜂巢材料分裂成多个磁畴而抵消其磁极，最后将出现单畴体的临界尺寸，此时具有最低能量状态。在薄膜里由磁化和交换常数所确定的材料的临界尺寸为100～300nm。其次，用形状控制磁畴的图形。
单畴和多畴的磁化方向可以通过PMN结构的形状来控制。一个单畴中，磁化方向总是稳定在结构的长轴，为了减小去磁场和使总能量降低。在多畴PMN纳米图形磁性结构中，磁化矢量总是趋向平行于自由磁偶极子降低静磁能的方向，给出的是钴Co的平面磁畴（35nm厚度），它的尺寸从2mm减少到100nm的过程中磁畴发生的变化，2mm磁畴的图形混沌的，1mm时由4个畴程定义的磁畴，100nm时即成单畴。
在当今这个信息时代，提高磁存储密度要求十分迫切，从1990年以来，磁盘密度每年升级比例为60%。奇迹是怎样发生的呢？
首先，我们要了解对于提高普通磁介质存储密度受到阻碍的因素。连续磁介质，比如，磁性薄膜附着在一个非磁性膜片上，薄膜是由很多细小晶粒组成的。这些多晶颗粒的尺寸、形状和晶轴方向分布是分散的，这些晶体易磁化方向也是分散的。直到写入磁头产生磁场才使这些颗粒磁轴沿一条线排列起来。
