由“巨磁电阻效应”诺贝尔获奖者引发的思考

摘要：从与巨磁电阻效应有关的诺贝尔奖获奖情况来看，评奖委员会秉承了其一贯的重理论创新的思想，由此我们再一次的想起了理论研究和应用研究哪个更重要的问题和中国是否有必要刻意追求诺贝尔奖的问题。

关键词：巨磁电阻；诺贝尔奖；思考

中图分类号：TP3-05 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）49-0271-02

“瑞典皇家科学院宣布，法国科学家阿尔贝·费尔（Albert Fert）和德国科学家彼得·格林贝格尔（Peter Grunberg），共同获得2007年诺贝尔物理学奖。获奖的原因是这两位科学家先后独立发现了‘巨磁电阻’（giant magnetoresistance，GMR）效应”[1]。这个发现引发的技术进步极大地提高了计算机硬盘磁头的数据读取能力，使硬盘无论从容量还是体积上都产生了质的飞越，这个发现还导致了新一代磁传感器的出现。

一、巨磁电阻（GMR）效应

巨磁电阻效应指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时比无外磁场作用时存在显著变化的现象，通常定义为MR=[R（H）-R（0）]/R（0），这里R（H）和R（0）分别是有外加磁场H和零磁场（H=0）情形下的电阻。所谓巨磁电阻就是指在特定的磁场下电阻大幅减小，减小的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值约高出10余倍。巨磁电阻是一种量子力学效应，产生于层状的磁性薄膜结构。这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩是反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻就最大。其上下两层为铁磁材料，中间夹层是非铁磁材料。铁磁材料磁矩的方向是由加到材料的外磁场控制的，因而较小的磁场也可以获得较大的电阻变化。我们都知道，计算机硬盘是通过磁介质来存储信息的。一块计算机硬盘内部包含若干个磁盘片，磁盘片的每一面都以转轴为轴心、以一定的间隔划分成多个磁道，每个磁道又被划分为多个扇区。“磁盘片上的磁涂层是由数量众多的、体积极为细小的磁颗粒组成，若干个磁颗粒组成一个记录单元来记录1比特（bit）信息，即0或1。磁盘片的每个磁盘面都相应有一个磁头。当磁头‘扫描’过磁盘面的各个区域时，各个区域中记录的不同磁信号就被转换成电信号，电信号的变化进而被表达为‘0’和‘1’，成为所有信息的原始译码。”[2]伴随着信息数字化的大潮，人们开始寻求不断缩小硬盘体积同时提高硬盘容量的技术。1988年，费尔和格林贝格尔各自独立发现了巨磁电阻效应，也就是说，非常弱小的磁性变化就能导致巨大电阻变化的特殊效应。[2]这个发现客观上解决了制造大容量小硬盘的问题：当硬盘体积不断变小，容量却不断变大时，势必要求磁盘上每一个被划分出来的独立区域越来越小，这些区域所记录的磁信号也就越来越弱。借助“巨磁电阻”效应，人们才得以制造出更加灵敏的数据读出头，使越来越弱的磁信号依然能够被清晰读出，并且转换成清晰的电流变化。最早的磁头是采用锰铁磁体制成的，该类磁头是通过电磁感应的方式读写数据。然而，随着信息技术发展对存储容量的要求不断提高，这类磁头难以满足实际需求。因为使用这种磁头，磁致电阻的变化仅为1%～2%之间，读取数据要求一定的强度的磁场，且磁道密度不能太大，因此使用传统磁头的硬盘最大容量只能达到每平方英寸20兆位。硬盘体积不断变小，容量却不断变大时，势必要求磁盘上每一个被划分出来的独立区域越来越小，这些区域所记录的磁信号也就越来越弱。[3]1997年，全球首个基于巨磁电阻效应的读出磁头问世。新式磁头更灵敏，能够更清晰读出较弱的磁信号，并且转换成清晰的电流变化。此新式磁头的出现引发了硬盘的“大容量、小型化”革命。如今，笔记本电脑、音乐播放器等各类数码电子产品中所装备的硬盘，基本上都应用了巨磁电阻效应，这一技术已然成为新的标准。瑞典皇家科学院的公报介绍说，另外一项发明于上世纪70年代的技术，即制造不同材料的超薄层的技术，使得人们有望制造出只有几个原子厚度的薄层结构。由于数据读出头是由多层不同材料薄膜构成的结构，因而只要在巨磁电阻效应依然起作用的尺度范围内，科学家未来将能够进一步缩小硬盘体积，提高硬盘容量。[3]

二、巨磁电阻效应引发的技术革命和自旋电子学的发展

费尔和格林贝格尔的系统因为昂贵和复杂仅适用于实验室研究。在GMR的工业产品化进程中一位名字叫斯图亚特·帕金的英国人起了重要作用。他发现应用相对简单的磁控溅射镀膜方法构造的GMR系统依然可以很好地工作，而不必构造完美的纳米膜。应用这种技术，在1997年第一块GMR硬盘问世，之后GMR磁头迅速成为硬盘生产的工业标准。巨磁电阻的发现，打开了一扇通向极具价值的科技领域的大门，其中包括数据存贮和磁传感器。如今全世界有数以千计的科学家正致力于磁电子学及其应用的研究。巨磁电阻的发现再次向人们揭示，完全偶然的发现可以带来全新的技术和商业产品应用。发现巨磁电阻效应不仅为硬盘生产带来了一场革命，而且对这个效应的深入研究导致一个新的领域——自旋电子学（spintronics）的产生，在自旋电子学领域中，原来分开的电子学和磁学重新走到一起，并在纳米尺度的微电子世界中占据主导地位。

三、思考

1.理论研究和应用研究哪个更重要？从获奖情况看，诺贝尔奖评委会秉承了其重理论的一贯风格。对那些使人类生活产生重大影响的开创性的理论研究给予了充分的肯定。“万事开头难”，一个好的选题往往能够开创一个时代。“提出问题有时比解决问题更重要”。著名数学家维纳刚进入麻省理工学院数学系任教时，想自己开展数学研究，但苦于没有方向。1919年夏天，维纳遇到了莫尔的学生巴奈特，巴奈特跟着大师莫尔多年，训练有素，他虽然与维纳同年，水平却高得多。维纳请巴奈特给自己一个研究的题目，巴奈特建议他研究“函数空间的积分问题”。维纳后来说“他的回答对我以后的科学生涯产生了重大影响”，它不仅使维纳开辟了一个新方向，而且还引导维纳思考到更多、更重要而且富有成果的问题上。从这个问题做起，许多新成果滚滚而来。对于把理论应用于实际的工作并作出巨大贡献者，评奖委员会就稍显忽略。客观来说，斯图亚特·帕金的贡献也是巨大的，他使巨磁电阻效应从理论到实践迈出了至关重要的一步，但他与诺贝尔奖无缘。我想，评奖委员会可能更倾向于理论方面开创性的工作。就像登山一样，指引一条可行的登山路更具意义。在登山之路上遭遇的坎坷、取得的成果或意外收获，并非指引者所能预见，但指引者的工作仍应会得到大家的首肯。

2.中国有必要刻意追求诺贝尔奖吗？个人认为，我们实际确实不具资格，尤其在物理、化学等方面。先磨好自己的刀再说砍什么样的柴吧。我们的社会现实是：急功近利、浮躁、短视、缺乏具有创造性的人才，即使有也要被抹杀了。我们应该做的是：先整顿好我们的现实环境，再等待天才。只有大师才具有获诺贝尔奖的资格。但大师的出现实际是个人努力和社会包容共同作用的结果。一方面，个人有天赋、肯努力、对所从事事业有浓厚兴趣；另一方面，社会尽最大可能提供其发展成长的条件，宽容天才的种种怪异、不合群，允许其特立独行。在学习生活中给予方便：跳级、单科天才、特长生等。国家可有意识的开一小门，不以档案去束缚，或许能催生出大师级人物。

参考文献：

[1]巨磁阻[DB/OL].互动百科，2010-05-22.

http：///wiki/

[2]张国党，彭俊昌.小硬盘中的大发现——解读“巨磁电阻”效应[J].物理教学探讨，2009，（09）.

[3]王雅丽.巨磁阻效应：磁头引发的IT革命[N].中国计算机报，2007-10-29.

作者简介：董海鹏，男，讲师，河南城建学院数理学院大学物理教研室。