巨磁電阻效應的發現

瑞典皇家科學院2007年10月9日宣布，將2007年度諾貝爾物理學獎授予法國國家科學研究中心的阿爾貝·費爾和德國于利希研究中心的彼得·格林貝格爾，以表彰他們在19年前各自獨立發現了巨磁電阻效應，為現代信息技術，特別是為人們今天能使用小型化、大容量的硬盤以及在各種磁性傳感器和電子學新領域的發展中所作出的奠基性貢獻。

從磁電阻效應說起

在人類長期的生產實踐中，磁的利用源遠流長，我國對古代世界文明的四大貢獻之一的指南針便是磁的一種重要應用。人們很早就以大量科學觀測和實驗來尋找電與磁之間的聯系。早在150年前的1857年，英國科學家開爾文就發現了鐵磁材料在磁場中電阻改變的磁電阻效應。他把鐵和鎳放在磁場中，發現這些磁性材料在磁場作用下，沿著磁場方向測得的電阻增加，垂直于磁場方向測得的電阻減小：電阻增加或減小的幅度約在1％～2％之間。由于磁電阻效應的大小與磁化強度的取向有關，所以稱為各向異性磁電阻效應(AMR)。由于電阻的變化不大和當時技術條件的限制，這一效應未引起太多的關注。直到1971年，美國科學家亨特才第一次提出利用磁電阻效應制作磁盤系統讀出磁頭。1985年IBM公司首先把亨特的設想付諸實用化，生產了AMR磁頭，用于當時IBM3480磁帶機上。重要的轉折點發生在今年這兩位諾貝爾物理學獎得主1988年的新發現之后。

巨磁電阻效應的發現

從1986年起，德國格林貝格爾教授率領的研究小組，利用納米技術，對“Fe/Cr/Fe三層膜”結構系統進行實驗研究，從中他們發現：當調節鉻(Cr)層厚度為某一數值時，在兩鐵(Fe)層之間存在反鐵磁耦合作用；再取各種不同膜層厚度，在一定的磁場和室溫條件下，可觀察到材料電阻值的變化幅度達4.1％；在后來的實驗中，他們再通過降低溫度，觀察到材料電阻值的變化幅度達10％。格林貝格爾意識到這種磁電阻效應在技術上的應用前景。因此，他在1988年發表該項研究成果的同時就申請了專利。

與此同時，法國費爾教授領導的科研小組獨立地設計了一種鐵、鉻相間的“Fe/Cr多層膜”。他們在實驗中使用微弱的磁場變化就成功地使材料電阻發生急劇變化。例如，他們在溫度為4.2K、2T磁場的條件下，觀察到材料電阻值下降達50％。

費爾小組在研究報告中把這一效應稱為巨磁電阻效應(縮寫為GMR)。GMR的發現起源于納米科技的進步，也是凝聚態物理學的一項重大成就，它的發現引起了世界各國科學家的普遍關注。

GMR發現后，人們迅速開發出一系列磁電子新器件，并得到了廣泛應用，其中最突出的是IBM實驗室帕金的工作。他的小組嘗試用通常的磁性材料進行實驗，并很快獲得成功；以后又在室溫、常規磁場條件下做大量相關實驗，最終獲得突破性進展。這一突破大大推動了計算機技術的發展步伐。

巨磁電阻效應的應用

這里只談一些大家較常見的例子。先講講它在計算機外存儲器或稱硬盤(HDD)中的應用。大家知道，硬盤讀取數據是通過磁頭來完成的。最早使用的磁頭是一種讀寫合一的電磁感應式磁頭，由于它對硬盤的設計造成不便，很快就被一種分離式結構的MR磁頭替代。但隨著單碟容量的不斷增加，MR磁頭也到了讀取的極限。這樣人們很快就意識到GMR材料的重要性。1994年，IBM公司首次把GMR材料用于制造GMR自旋閥結構讀出磁頭(GMRSV)，當年就獲得了每平方英寸10億位(1Gb/平方英寸)的HDD面密度世界紀錄，1995～1996年，IBM產的HDD面密度繼續領先，達到了5Gb/平方英寸。這些新技術、新產品給IBM公司帶來了上百億美元的收入。近年來，研究人員通過引入納米厚度的氧化物反射層和人造反鐵磁耦合技術對GMR磁頭的結構進行改進，使HDD的面密度迅速提高到100Gb/平方英寸的數量級。硬盤的體積越來越小，容量越來越大，轉換信號的清晰度越來越高，從而引發了硬盤容量與質量的根本變革。

再講講GMR在計算機內存方面的開發應用。內存用來存放計算機正在使用(或執行中)的數據或程序。前些年，內存廣泛采用的隨機存儲器(RAM)主要是半導體動態存儲器(DRAM)和靜態存儲器(SRAM)。但這兩種均為易失性的存儲器，即當機件斷電時，所存數據易丟失。這些年來，人們用GMR研制成了巨磁電阻隨機存儲器(MRAM)，它是一種非揮發性的隨機存儲器，所謂“非揮發性”是指關掉電源后，仍可保持記憶完整，只有在外界的磁場影響下，才會使它改變存儲的數據。運用MRAM，大大地降低了器件的生產成本，在容量和運行速度上均超過半導體存儲器。目前IBM、摩托羅拉和西門子等公司都在不斷地研究與推出新一代MRAM。另外，由于MRAM具有抗輻射性能強、壽命長等特點，使它在軍事和航空航天中的應用有重要意義。它對民用工業中的傳真機、固態錄像機等大容量電子存儲器都具有良好的應用前景。

最后，還要講講GMR傳感器的廣闊市場。磁傳感器主要用來檢查磁場的存在、強弱、方向和變化。在GMR傳感器之前，人們主要是用AMR材料制作的傳感器。由于AMR磁電阻率變化小，在檢測微弱磁場時受到限制。而巨磁電阻材料制成的傳感器則磁電阻率變化大，能夠對微弱磁場進行傳感，具有抗惡劣環境的特點；再加上體積小、功耗少，可靠性強等優勢，它將逐步取代霍爾傳感器、感應線圈傳感器等傳統產品。它在汽車電子技術、機電一體化控制、家用電器、衛星定位、導航系統以及精密測量技術中都具有廣闊的開發與應用價值。

但是，巨磁電阻效應在作用機理等方面的理論還需要不斷地完善，目前各國仍有不少科學家在進行研究。早在1996年6月，我國香山科學會議的主題就是“巨磁電阻效應的現狀與未來”，會議把GMR的研究及應用開發列為重點發展領域之一。中科院物理所“九五”課題“磁膜和微結構”的研究取得了重要成果，當時國際上發現的20多種GMR金屬多層膜，其中的3種是該課題組首次發現的。同時，南京大學等高校及中科院技術研究所等研究機構這些年來在GMR顆粒膜、大磁矩膜、磁膜隨機存儲器、薄膜磁頭等項研究都獲得了顯著成果，使我國具備了GMR基礎研究和器件研制的良好基礎。

幾點啟示

今年諾貝爾物理學獎頒發給兩位長期從事基礎研究的科學家，其意義不僅是因為他們的發現被廣泛應用，造福了人類，而且更重要的意義在于該發現具有極大的潛力，為我們打開了通往自旋電子學等新領域的大門，推動未來人類社會信息化的進程。從中我們可以得到什么啟示呢?

首先，物理學作為一門最基礎的自然科學，它的發展動力是深深地植根于人類對真理的非功利追求。巨磁電阻效應的發現有力地證明，這種非功利的追求給人類帶來了最大的利益。堅持基礎研究，帶動應用科學，方能實現高技術的創新與突破。

其次，當今科研成果轉化為應用技術，技術應用、實際生產或社會發展中的需求轉化為科研課題，這兩種轉化互為因果，關系越來越緊密，轉化的周期也不斷縮短。巨磁電阻效應發現這一基礎性研究成果轉化為生產力僅僅間隔6年，在歷史上是罕見的，它是科研成果快速轉化為高技術生產力的一個范例，說明了科學技術是第一生產力的觀點。

其三，先進技術離不開基礎科學，今天誰能在基礎研究中站在領先地位誰就有可能成為推動先進技術的領頭軍，IBM等公司之所以投入巨資支持GMR研究，其原因就在這里。

總之，2007年諾貝爾物理學獎又一次授予與高科技密切相關的基礎研究，說明了基礎性研究與應用性開發是相輔相成的，只有重視基礎研究工作，才能促進高新技術的發展。

責任編輯 蒲 暉