由“巨磁電阻效應”諾貝爾獲獎者引發的思考

摘要：從與巨磁電阻效應有關的諾貝爾獎獲獎情況來看，評獎委員會秉承了其一貫的重理論創新的思想，由此我們再一次的想起了理論研究和應用研究哪個更重要的問題和中國是否有必要刻意追求諾貝爾獎的問題。

關鍵詞：巨磁電阻；諾貝爾獎；思考

中圖分類號：TP3-05 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）49-0271-02

“瑞典皇家科學院宣布，法國科學家阿爾貝·費爾（Albert Fert）和德國科學家彼得·格林貝格爾（Peter Grunberg），共同獲得2007年諾貝爾物理學獎。獲獎的原因是這兩位科學家先后獨立發現了‘巨磁電阻’（giant magnetoresistance，GMR）效應”[1]。這個發現引發的技術進步極大地提高了計算機硬盤磁頭的數據讀取能力，使硬盤無論從容量還是體積上都產生了質的飛越，這個發現還導致了新一代磁傳感器的出現。

一、巨磁電阻（GMR）效應

巨磁電阻效應指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時比無外磁場作用時存在顯著變化的現象，通常定義為MR=[R（H）-R（0）]/R（0），這里R（H）和R（0）分別是有外加磁場H和零磁場（H=0）情形下的電阻。所謂巨磁電阻就是指在特定的磁場下電阻大幅減小，減小的幅度比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻數值約高出10余倍。巨磁電阻是一種量子力學效應，產生于層狀的磁性薄膜結構。這種結構是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層疊合而成。當鐵磁層的磁矩相互平行時，載流子與自旋有關的散射最小，材料有最小的電阻。當鐵磁層的磁矩是反平行時，與自旋有關的散射最強，材料的電阻就最大。其上下兩層為鐵磁材料，中間夾層是非鐵磁材料。鐵磁材料磁矩的方向是由加到材料的外磁場控制的，因而較小的磁場也可以獲得較大的電阻變化。我們都知道，計算機硬盤是通過磁介質來存儲信息的。一塊計算機硬盤內部包含若干個磁盤片，磁盤片的每一面都以轉軸為軸心、以一定的間隔劃分成多個磁道，每個磁道又被劃分為多個扇區。“磁盤片上的磁涂層是由數量眾多的、體積極為細小的磁顆粒組成，若干個磁顆粒組成一個記錄單元來記錄1比特（bit）信息，即0或1。磁盤片的每個磁盤面都相應有一個磁頭。當磁頭‘掃描’過磁盤面的各個區域時，各個區域中記錄的不同磁信號就被轉換成電信號，電信號的變化進而被表達為‘0’和‘1’，成為所有信息的原始譯碼。”[2]伴隨著信息數字化的大潮，人們開始尋求不斷縮小硬盤體積同時提高硬盤容量的技術。1988年，費爾和格林貝格爾各自獨立發現了巨磁電阻效應，也就是說，非常弱小的磁性變化就能導致巨大電阻變化的特殊效應。[2]這個發現客觀上解決了制造大容量小硬盤的問題：當硬盤體積不斷變小，容量卻不斷變大時，勢必要求磁盤上每一個被劃分出來的獨立區域越來越小，這些區域所記錄的磁信號也就越來越弱。借助“巨磁電阻”效應，人們才得以制造出更加靈敏的數據讀出頭，使越來越弱的磁信號依然能夠被清晰讀出，并且轉換成清晰的電流變化。最早的磁頭是采用錳鐵磁體制成的，該類磁頭是通過電磁感應的方式讀寫數據。然而，隨著信息技術發展對存儲容量的要求不斷提高，這類磁頭難以滿足實際需求。因為使用這種磁頭，磁致電阻的變化僅為1%～2%之間，讀取數據要求一定的強度的磁場，且磁道密度不能太大，因此使用傳統磁頭的硬盤最大容量只能達到每平方英寸20兆位。硬盤體積不斷變小，容量卻不斷變大時，勢必要求磁盤上每一個被劃分出來的獨立區域越來越小，這些區域所記錄的磁信號也就越來越弱。[3]1997年，全球首個基于巨磁電阻效應的讀出磁頭問世。新式磁頭更靈敏，能夠更清晰讀出較弱的磁信號，并且轉換成清晰的電流變化。此新式磁頭的出現引發了硬盤的“大容量、小型化”革命。如今，筆記本電腦、音樂播放器等各類數碼電子產品中所裝備的硬盤，基本上都應用了巨磁電阻效應，這一技術已然成為新的標準。瑞典皇家科學院的公報介紹說，另外一項發明于上世紀70年代的技術，即制造不同材料的超薄層的技術，使得人們有望制造出只有幾個原子厚度的薄層結構。由于數據讀出頭是由多層不同材料薄膜構成的結構，因而只要在巨磁電阻效應依然起作用的尺度范圍內，科學家未來將能夠進一步縮小硬盤體積，提高硬盤容量。[3]

二、巨磁電阻效應引發的技術革命和自旋電子學的發展

費爾和格林貝格爾的系統因為昂貴和復雜僅適用于實驗室研究。在GMR的工業產品化進程中一位名字叫斯圖亞特·帕金的英國人起了重要作用。他發現應用相對簡單的磁控濺射鍍膜方法構造的GMR系統依然可以很好地工作，而不必構造完美的納米膜。應用這種技術，在1997年第一塊GMR硬盤問世，之后GMR磁頭迅速成為硬盤生產的工業標準。巨磁電阻的發現，打開了一扇通向極具價值的科技領域的大門，其中包括數據存貯和磁傳感器。如今全世界有數以千計的科學家正致力于磁電子學及其應用的研究。巨磁電阻的發現再次向人們揭示，完全偶然的發現可以帶來全新的技術和商業產品應用。發現巨磁電阻效應不僅為硬盤生產帶來了一場革命，而且對這個效應的深入研究導致一個新的領域——自旋電子學（spintronics）的產生，在自旋電子學領域中，原來分開的電子學和磁學重新走到一起，并在納米尺度的微電子世界中占據主導地位。

三、思考

1.理論研究和應用研究哪個更重要？從獲獎情況看，諾貝爾獎評委會秉承了其重理論的一貫風格。對那些使人類生活產生重大影響的開創性的理論研究給予了充分的肯定。“萬事開頭難”，一個好的選題往往能夠開創一個時代。“提出問題有時比解決問題更重要”。著名數學家維納剛進入麻省理工學院數學系任教時，想自己開展數學研究，但苦于沒有方向。1919年夏天，維納遇到了莫爾的學生巴奈特，巴奈特跟著大師莫爾多年，訓練有素，他雖然與維納同年，水平卻高得多。維納請巴奈特給自己一個研究的題目，巴奈特建議他研究“函數空間的積分問題”。維納后來說“他的回答對我以后的科學生涯產生了重大影響”，它不僅使維納開辟了一個新方向，而且還引導維納思考到更多、更重要而且富有成果的問題上。從這個問題做起，許多新成果滾滾而來。對于把理論應用于實際的工作并作出巨大貢獻者，評獎委員會就稍顯忽略。客觀來說，斯圖亞特·帕金的貢獻也是巨大的，他使巨磁電阻效應從理論到實踐邁出了至關重要的一步，但他與諾貝爾獎無緣。我想，評獎委員會可能更傾向于理論方面開創性的工作。就像登山一樣，指引一條可行的登山路更具意義。在登山之路上遭遇的坎坷、取得的成果或意外收獲，并非指引者所能預見，但指引者的工作仍應會得到大家的首肯。

2.中國有必要刻意追求諾貝爾獎嗎？個人認為，我們實際確實不具資格，尤其在物理、化學等方面。先磨好自己的刀再說砍什么樣的柴吧。我們的社會現實是：急功近利、浮躁、短視、缺乏具有創造性的人才，即使有也要被抹殺了。我們應該做的是：先整頓好我們的現實環境，再等待天才。只有大師才具有獲諾貝爾獎的資格。但大師的出現實際是個人努力和社會包容共同作用的結果。一方面，個人有天賦、肯努力、對所從事事業有濃厚興趣；另一方面，社會盡最大可能提供其發展成長的條件，寬容天才的種種怪異、不合群，允許其特立獨行。在學習生活中給予方便：跳級、單科天才、特長生等。國家可有意識的開一小門，不以檔案去束縛，或許能催生出大師級人物。

參考文獻：

[1]巨磁阻[DB/OL].互動百科，2010-05-22.

http：//www.hudong.com/wiki/

[2]張國黨，彭俊昌.小硬盤中的大發現——解讀“巨磁電阻”效應[J].物理教學探討，2009，（09）.

[3]王雅麗.巨磁阻效應：磁頭引發的IT革命[N].中國計算機報，2007-10-29.

作者簡介：董海鵬，男，講師，河南城建學院數理學院大學物理教研室。