費(fèi)爾、格魯伯格及帕肯的貢獻(xiàn)

2007年諾貝爾物理獎(jiǎng)授予法國(guó)人阿爾伯特·費(fèi)爾(Albert Fert，1938-)和德國(guó)人彼得·格魯伯格(Peter Gruenberg，1939-)，表彰兩位物理學(xué)家在1988年分別獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng)，使小型大容量硬盤在世界各地得到廣泛的應(yīng)用。今年的諾貝爾物理獎(jiǎng)關(guān)注了信息應(yīng)用技術(shù)，這是全球信息化的大勢(shì)所趨，可喜可賀。

1巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)

阿爾伯特·費(fèi)爾1938年生于法國(guó)南部小城卡爾卡索納(Carcassonne)，1970年在南巴黎大學(xué)(University Paris-Sud)獲博士學(xué)位，1976年開始擔(dān)任南巴黎大學(xué)教授。1995年費(fèi)爾還擔(dān)任了法國(guó)國(guó)家科研中心(CNRS)與法國(guó)泰雷茲集團(tuán)(Thales)組建的聯(lián)合物理實(shí)驗(yàn)室科學(xué)主任。2004年費(fèi)爾當(dāng)選法國(guó)科學(xué)院院士。(左圖：阿爾伯特·費(fèi)爾)

彼得·格魯伯格1939年生于德國(guó)皮爾森(Pilsen)。1959年至1963年在法蘭克福的約翰-沃爾夫?qū)?歌德大學(xué)學(xué)習(xí)物理，1969年在達(dá)姆施塔特技術(shù)大學(xué)(Technical University Darmstadt)獲得博士學(xué)位。1972年到尤利西(Julich)研究中心當(dāng)教授，直至2004年退休。(右圖：彼得·格魯伯格)

那么，什么是巨磁電阻效應(yīng)(giant magnetoresistance，GMR)呢？這要先從磁電阻效應(yīng)(magnetoresistance，MR)說起。請(qǐng)不要把它翻譯成“磁阻”，因?yàn)樗悄承┎牧显诖艌?chǎng)的作用下，其電阻的大小會(huì)發(fā)生變化，稱為磁電阻效應(yīng)。這些材料通常是鐵磁性(磁化率比較大，例如Fe、Co、Ni及其合金，稀土元素、錒族元素及其合金)或亞鐵磁性(磁化率比較小，例如鐵氧體)材料，它們都是磁記錄介質(zhì)。

如果某些材料在磁場(chǎng)的作用下，其電阻的大小會(huì)發(fā)生特別明顯的變化，那就稱為巨磁電阻效應(yīng)。1988年費(fèi)爾和格魯伯格分別在低溫與強(qiáng)磁場(chǎng)下，在磁性薄膜材料中發(fā)現(xiàn)了這個(gè)量子效應(yīng)。

2硬盤技術(shù)發(fā)展的回顧

我們使用的硬盤已有50年的歷史。1956年9月13日IBM公司在加州圣荷西(San Jose)推出世界上第一臺(tái)硬盤存儲(chǔ)系統(tǒng)RAMAC 305(Random Access Method for Accounting and Control，計(jì)算與控制的隨機(jī)存取方法)。它采用了50個(gè)24英寸的磁盤，可見其體積之龐大，僅存儲(chǔ)了5MB的數(shù)據(jù)，讀寫速度小于1秒，可見容量無法與現(xiàn)在相比，然而在當(dāng)時(shí)這已是轟動(dòng)世界的新聞。

1968年IBM公司又推出溫徹斯特(Winchester)技術(shù)，它把磁盤組、讀寫磁頭以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)密封在一起，先用于大型磁盤機(jī)。后來硬盤由14英寸、8英寸，縮小到5.25英寸、3.5英寸，容量則有20MB-

200MB，于是溫盤成為臺(tái)式微電腦的必備部件。

這些硬盤通常是在基片上涂布亞鐵磁性記錄介質(zhì)，例如早期使用鐵氧體磁粉，到了溫盤就采用了薄膜介質(zhì)。它們利用的是磁電阻MR效應(yīng)，即在一定磁場(chǎng)下它的電阻會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電流的變化。利用它進(jìn)行磁記錄，一般采用帶線圈的讀寫頭讀寫數(shù)據(jù)，只是存儲(chǔ)密度不夠高。

1988年“巨磁電阻”效應(yīng)發(fā)現(xiàn)后，引起物理學(xué)界和計(jì)算機(jī)界的高度重視，前者關(guān)注這個(gè)特殊的量子現(xiàn)象；后者則看到非常弱小的磁性變化就能導(dǎo)致磁性材料(例如Fe-Cr多層薄膜)發(fā)生非常顯著的電阻變化，而且相對(duì)于傳統(tǒng)的磁電阻效應(yīng)大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，這開辟了制造高密度硬盤和高靈敏傳感器的廣闊前景。

3原理與應(yīng)用技術(shù)的轉(zhuǎn)化

巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)在國(guó)際上引起很大的反響。20世紀(jì)90年代，美國(guó)、日本和歐洲都對(duì)發(fā)展巨磁電阻材料及其在高新技術(shù)上的應(yīng)用投入很大的力量。首當(dāng)其沖的又是IBM公司，又是在硅谷圣荷西的研究團(tuán)隊(duì)，在斯圖爾特·帕肯(Stuart S.P. Parkin，1956-)的領(lǐng)導(dǎo)下，把科學(xué)效應(yīng)真正轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)用技術(shù)，使科學(xué)技術(shù)孵化為生產(chǎn)力。

我愿意特別介紹帕肯博士的工作。(右圖為帕肯像)帕肯生于英國(guó)Watford郡，1977年在劍橋大學(xué)三一學(xué)院獲得理論物理學(xué)士，1980年在劍橋大學(xué)著名的開文迪士(Cavendish)實(shí)驗(yàn)室獲得物理博士學(xué)位，使他本質(zhì)上成為一位優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家。1981年他作為交換學(xué)者曾在南巴黎大學(xué)費(fèi)爾的固體物理實(shí)驗(yàn)室工作。1982年加盟IBM在加州圣荷西的Almaden研究中心。

帕肯博士及其同事屏棄了費(fèi)爾和格魯伯格在發(fā)現(xiàn)該效應(yīng)時(shí)采用的昂貴設(shè)備和方法，如果它仍然局限于低溫與強(qiáng)磁場(chǎng)的苛刻條件，那就不可能使這項(xiàng)技術(shù)得到普及。帕肯發(fā)明了濺射技術(shù)，制成Fe-Cu、Fe-Al、Fe-Au、Co-Cu、Co-Ag和Co-Au 等納米結(jié)構(gòu)的多層膜，并在常溫與一般磁場(chǎng)下觀察到顯著的巨磁電阻效應(yīng)。經(jīng)過數(shù)萬次的實(shí)驗(yàn)，1994年把他們的巨磁電阻多層膜應(yīng)用在讀寫磁頭上，把硬盤存儲(chǔ)密度提高了20倍。

1997年IBM公司正式推出基于GMR的16.8G的高密度硬盤驅(qū)動(dòng)器。從1997年到現(xiàn)在，硬盤的存儲(chǔ)密度由每平方英寸2.4G提高到70G，使基于GMR的高密度硬盤成為大家使用的主流產(chǎn)品。

4三人分享豈不更好

說到這里，我真為這次諾貝爾物理獎(jiǎng)遺漏了帕肯博士而不平。瑞典皇家科學(xué)院評(píng)價(jià)這次物理獎(jiǎng)時(shí)說，基于“巨磁電阻”效應(yīng)開發(fā)的“用于讀取硬盤數(shù)據(jù)的技術(shù)”，被認(rèn)為是“前途廣闊的納米技術(shù)領(lǐng)域的首批實(shí)際應(yīng)用之一”。然而他們只重視了巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，而忽視了把它轉(zhuǎn)化為應(yīng)用技術(shù)的意義。沒有后者，這個(gè)全球電子化進(jìn)程中的重要革命能夠成功嗎？因此，如果能夠讓這三位科學(xué)家分享今年的諾貝爾物理獎(jiǎng)，那就更公平、更和諧了。