巨磁电阻效应的发现

瑞典皇家科学院2007年10月9日宣布，将2007年度诺贝尔物理学奖授予法国国家科学研究中心的阿尔贝·费尔和德国于利希研究中心的彼得·格林贝格尔，以表彰他们在19年前各自独立发现了巨磁电阻效应，为现代信息技术，特别是为人们今天能使用小型化、大容量的硬盘以及在各种磁性传感器和电子学新领域的发展中所作出的奠基性贡献。

　　

　　从磁电阻效应说起

　　

　　在人类长期的生产实践中，磁的利用源远流长，我国对古代世界文明的四大贡献之一的指南针便是磁的一种重要应用。人们很早就以大量科学观测和实验来寻找电与磁之间的联系。早在150年前的1857年，英国科学家开尔文就发现了铁磁材料在磁场中电阻改变的磁电阻效应。他把铁和镍放在磁场中，发现这些磁性材料在磁场作用下，沿着磁场方向测得的电阻增加，垂直于磁场方向测得的电阻减小：电阻增加或减小的幅度约在1％～2％之间。由于磁电阻效应的大小与磁化强度的取向有关，所以称为各向异性磁电阻效应(AMR)。由于电阻的变化不大和当时技术条件的限制，这一效应未引起太多的关注。直到1971年，美国科学家亨特才第一次提出利用磁电阻效应制作磁盘系统读出磁头。1985年IBM公司首先把亨特的设想付诸实用化，生产了AMR磁头，用于当时IBM3480磁带机上。重要的转折点发生在今年这两位诺贝尔物理学奖得主1988年的新发现之后。

　　

　　巨磁电阻效应的发现

　　

　　从1986年起，德国格林贝格尔教授率领的研究小组，利用纳米技术，对“Fe/Cr/Fe三层膜”结构系统进行实验研究，从中他们发现：当调节铬(Cr)层厚度为某一数值时，在两铁(Fe)层之间存在反铁磁耦合作用；再取各种不同膜层厚度，在一定的磁场和室温条件下，可观察到材料电阻值的变化幅度达4.1％；在后来的实验中，他们再通过降低温度，观察到材料电阻值的变化幅度达10％。格林贝格尔意识到这种磁电阻效应在技术上的应用前景。因此，他在1988年发表该项研究成果的同时就申请了专利。

　　与此同时，法国费尔教授领导的科研小组独立地设计了一种铁、铬相间的“Fe/Cr多层膜”。他们在实验中使用微弱的磁场变化就成功地使材料电阻发生急剧变化。例如，他们在温度为4.2K、2T磁场的条件下，观察到材料电阻值下降达50％。

　　费尔小组在研究报告中把这一效应称为巨磁电阻效应(缩写为GMR)。GMR的发现起源于纳米科技的进步，也是凝聚态物理学的一项重大成就，它的发现引起了世界各国科学家的普遍关注。

　　GMR发现后，人们迅速开发出一系列磁电子新器件，并得到了广泛应用，其中最突出的是IBM实验室帕金的工作。他的小组尝试用通常的磁性材料进行实验，并很快获得成功；以后又在室温、常规磁场条件下做大量相关实验，最终获得突破性进展。这一突破大大推动了计算机技术的发展步伐。

　　

　　巨磁电阻效应的应用

　　

　　这里只谈一些大家较常见的例子。先讲讲它在计算机外存储器或称硬盘(HDD)中的应用。大家知道，硬盘读取数据是通过磁头来完成的。最早使用的磁头是一种读写合一的电磁感应式磁头，由于它对硬盘的设计造成不便，很快就被一种分离式结构的MR磁头替代。但随着单碟容量的不断增加，MR磁头也到了读取的极限。这样人们很快就意识到GMR材料的重要性。1994年，IBM公司首次把GMR材料用于制造GMR自旋阀结构读出磁头(GMRSV)，当年就获得了每平方英寸10亿位(1Gb/平方英寸)的HDD面密度世界纪录，1995～1996年，IBM产的HDD面密度继续领先，达到了5Gb/平方英寸。这些新技术、新产品给IBM公司带来了上百亿美元的收入。近年来，研究人员通过引入纳米厚度的氧化物反射层和人造反铁磁耦合技术对GMR磁头的结构进行改进，使HDD的面密度迅速提高到100Gb/平方英寸的数量级。硬盘的体积越来越小，容量越来越大，转换信号的清晰度越来越高，从而引发了硬盘容量与质量的根本变革。

　　再讲讲GMR在计算机内存方面的开发应用。内存用来存放计算机正在使用(或执行中)的数据或程序。前些年，内存广泛采用的随机存储器(RAM)主要是半导体动态存储器(DRAM)和静态存储器(SRAM)。但这两种均为易失性的存储器，即当机件断电时，所存数据易丢失。这些年来，人们用GMR研制成了巨磁电阻随机存储器(MRAM)，它是一种非挥发性的随机存储器，所谓“非挥发性”是指关掉电源后，仍可保持记忆完整，只有在外界的磁场影响下，才会使它改变存储的数据。运用MRAM，大大地降低了器件的生产成本，在容量和运行速度上均超过半导体存储器。目前IBM、摩托罗拉和西门子等公司都在不断地研究与推出新一代MRAM。另外，由于MRAM具有抗辐射性能强、寿命长等特点，使它在军事和航空航天中的应用有重要意义。它对民用工业中的传真机、固态录像机等大容量电子存储器都具有良好的应用前景。

　　最后，还要讲讲GMR传感器的广阔市场。磁传感器主要用来检查磁场的存在、强弱、方向和变化。在GMR传感器之前，人们主要是用AMR材料制作的传感器。由于AMR磁电阻率变化小，在检测微弱磁场时受到限制。而巨磁电阻材料制成的传感器则磁电阻率变化大，能够对微弱磁场进行传感，具有抗恶劣环境的特点；再加上体积小、功耗少，可靠性强等优势，它将逐步取代霍尔传感器、感应线圈传感器等传统产品。它在汽车电子技术、机电一体化控制、家用电器、卫星定位、导航系统以及精密测量技术中都具有广阔的开发与应用价值。

　　但是，巨磁电阻效应在作用机理等方面的理论还需要不断地完善，目前各国仍有不少科学家在进行研究。早在1996年6月，我国香山科学会议的主题就是“巨磁电阻效应的现状与未来”，会议把GMR的研究及应用开发列为重点发展领域之一。中科院物理所“九五”课题“磁膜和微结构”的研究取得了重要成果，当时国际上发现的20多种GMR金属多层膜，其中的3种是该课题组首次发现的。同时，南京大学等高校及中科院技术研究所等研究机构这些年来在GMR颗粒膜、大磁矩膜、磁膜随机存储器、薄膜磁头等项研究都获得了显著成果，使我国具备了GMR基础研究和器件研制的良好基础。

　　

　　几点启示

　　

　　今年诺贝尔物理学奖颁发给两位长期从事基础研究的科学家，其意义不仅是因为他们的发现被广泛应用，造福了人类，而且更重要的意义在于该发现具有极大的潜力，为我们打开了通往自旋电子学等新领域的大门，推动未来人类社会信息化的进程。从中我们可以得到什么启示呢?

　　

　　首先，物理学作为一门最基础的自然科学，它的发展动力是深深地植根于人类对真理的非功利追求。巨磁电阻效应的发现有力地证明，这种非功利的追求给人类带来了最大的利益。坚持基础研究，带动应用科学，方能实现高技术的创新与突破。

　　

　　其次，当今科研成果转化为应用技术，技术应用、实际生产或社会发展中的需求转化为科研课题，这两种转化互为因果，关系越来越紧密，转化的周期也不断缩短。巨磁电阻效应发现这一基础性研究成果转化为生产力仅仅间隔6年，在历史上是罕见的，它是科研成果快速转化为高技术生产力的一个范例，说明了科学技术是第一生产力的观点。

　　

　　其三，先进技术离不开基础科学，今天谁能在基础研究中站在领先地位谁就有可能成为推动先进技术的领头军，IBM等公司之所以投入巨资支持GMR研究，其原因就在这里。

　　总之，2007年诺贝尔物理学奖又一次授予与高科技密切相关的基础研究，说明了基础性研究与应用性开发是相辅相成的，只有重视基础研究工作，才能促进高新技术的发展。

　　

　　责任编辑　蒲　晖